Адроны в коллайдере разгоняются до высоких скоростей благодаря: «Лоб в лоб» на скорости света

Предложи свой вариант решения в комментариях 👇🏻

Не потеряли ли на Большом адронном коллайдере свидетельства наличия новой физики?

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:

1. 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.
2. 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

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.

физик Андрей Серяков о Большом адронном коллайдере и заветах дедушки Эйнштейна — T&P

Во втором классе Андрей Серяков прочитал шесть томиков о Конане-варваре Роберта Говарда и бесповоротно увлекся фантастикой и фэнтези.

Где учился: окончил магистратуру физического факультета СПбГУ (кафедра высоких энергий и элементарных частиц)

Что изучает: исследование фазовой диаграммы сильно взаимодействующей материи

Особые приметы: сотрудник лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ (LUHEP), участник эксперимента NA61/SHINE в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), ранее решал задачи для экспериментов ATLAS и ALICE на Большом адронном коллайдере, создатель паблика «ЦЕРНач»

Когда я переехал в Питер и поступил в Академическую гимназию (школу при СПбГУ, которая предоставляет общежитие иногородним), мне нужно было выбрать научное направление — физико-математическое или химико-биологическое. С химией у меня все было очень плохо, поэтому выбрал первое. В десятом классе занимался вихревыми кольцами в воде, изучал процесс замерзания льда в стакане и собирал фотоаппарат без линз пинхол. Я из Ивановской области, и мое появление в Питере — случайность. С таким же успехом мог бы поступить в Москву. Но годом ранее девушка из моей школы переехала в Питер, и благодаря ей я узнал о возможности поступить в АГ. Тогда с интернетом было не так хорошо, как сейчас, и я даже не подумал искать альтернативу. Как бы сложилась моя судьба, будь я в столице, не знаю. Наверное, учился бы в Физтехе.

Уже на втором курсе физфака СПбГУ я понял, что не хочу заниматься теоретической физикой и всю жизнь решать интегралы. Мне хотелось проводить эксперименты, поэтому с середины второго курса я пошел в лабораторию физики сверхвысоких энергий — это путь в передовую науку, ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям. — Прим. ред.). Ученым осознал себя уже в конце учебы, когда начал заниматься серьезными исследованиями в своей области, но если бы не увлечение фантастикой, сейчас все было бы по-другому.

На эксперименте NA61/SHINE мы занимаемся изучением кварк-глюонной плазмы (КГП) — нового агрегатного состояния вещества, в котором, по версии ученых, находилась Вселенная в первые доли секунды после Большого взрыва. Кварк-глюонная плазма уже несколько лет успешно изучается на ускорителях LHC, RHIC и SPS, но проблема в том, что мы не знаем, как она появляется, как устроен переход между обычной материей, состоящей из адронов (собранных кварков), в большой кварк-глюонный мешок. Существует много разных моделей, которые описывают этот переход. Если представить, что адроны — это лед, а кварк-глюонная плазма — вода, то где та нулевая температура, которая позволяет превращаться «льду» в «воду»? Или это определенный промежуток температур? Наша цель заключается как раз в том, чтобы узнать, как устроен данный переход.

Мы работаем на SPS (Super Proton Synchrotron) — малом кольце Большого адронного коллайдера — и изучаем регион энергий (или фазовой диаграммы), где, возможно, происходит переход из обычной материи в кварк-глюонную плазму. У нас большая программа сканирования: если на БАКе сталкивают только протоны и ядра свинца, то мы экспериментируем с шестью рабочими энергиями и разными сталкивающимися системами (протонами, ядрами бериллия, аргона, ксенона и свинца). Изменяя систему таким образом, сканируем диапазон температур, при котором происходят столкновения. В подобных экспериментах протоны и ядра разгоняются до скоростей, которые лишь на несколько метров в секунду меньше, чем скорость света, а в момент столкновения вся запасенная кинетическая энергия, по заветам дедушки Эйнштейна, переходит в энергию (массу) новых рожденных частиц, которые улавливаются детекторами. Мы надеемся найти некие знаки, что в какой-то момент произошел фазовый переход — когда при определенной температуре характеристики создаваемой в результате столкновений новой материи резко поменялись. Надеемся, что сможем найти фазовый переход между адронной материей (протонами и нейтронами) и кварк-глюонной плазмой.

• Столкновения аргона со скандием на NA61_SHINE

• Большой адронный коллайдер

Весной 2015 года мы провели эксперименты по столкновению пучка ядер аргона с мишенью из скандия. Через три месяца я приступил к их анализу — начал чистить полученные данные на компьютере, собирать статистику, выбирать определенные величины и строить зависимости: если какая-то величина изменит свое поведение, значит, в этом месте что-то есть. Цель данного анализа — найти критическую точку (мы не только изучаем фазовый переход обычной материи в КГП, но и пытаемся нащупать эту точку, если она существует). Для меня было рискованным шагом начать заниматься анализом аргона и скандия, поскольку до этого я занимался периферийными вещами. Конечно, знал, что там можно найти критическую точку и что это ведущий анализ для коллаборации, но принять эту работу было большой ответственностью.

«Моя цель — приблизить человечество к звездам. Будет круто, если домохозяйки за кухонным столом начнут обсуждать свежие открытия в науке»

Мы не всегда находим то, что ищем или предполагаем найти. Поэтому от нас часто можно услышать неопределенные «что-то есть», «по нашим представлениям» и так далее. Надо ли что-то исследовать, когда есть определенность и все понятно? Например, мы вообще не знаем, что такое темная энергия, но если об этом не говорить, мы никогда не займемся ее исследованием. Науке необходимо рассказывать о своих открытиях и объяснять непонятное.

Я не верю, что открытия происходят случайным образом. Чтобы осуществить грандиозный прорыв, нужно много чего двигать. Моя цель глобальная — приблизить человечество к звездам. Выступая на слэмах и ведя блог, я делаю науку популярнее. Будет круто, если домохозяйки за кухонным столом начнут обсуждать свежие открытия в науке: тогда человечество существенно продвинется вперед во всех отношениях.

На меня производит большое впечатление Григорий Александрович Феофилов — заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, благодаря которому она является одной из самых передовых в мире. И то, что я работаю в таком крутом месте, — наверное, одна из причин, почему я еще не уехал за границу. На четвертом курсе у меня был переломный момент, когда в университете было скучно и неинтересно, я думал сменить род деятельности, но остался благодаря работе в лаборатории, где все было живо.

Во-первых, чтобы жить в России, ученым необходимо финансирование. Исследователи уезжают из страны банально из-за недостатка денег, а те гранты, которые у нас есть сейчас, очень нестабильны. Во-вторых, мировое научное сообщество устроено так, что человек может защитить бакалавра в одном университете, магистра — в другом, и получить PhD в третьем. Это очень полезно как для ученого, так и для лабораторий, куда он привозит новые идеи. Утечка мозгов — это нормально и правильно, но проблема в том, что в нашу страну ничего не притекает. В России нет условий, например, для получения PhD иностранными студентами. Нужно полностью переходить на мировую систему образования.

Ученые на 99% совершенно асоциальные люди, поэтому мне сложно сказать, кто является для меня примером. Мне не хочется быть кем-то. Я могу восхищаться лишь идеями — специальной теорией относительности Эйнштейна или теорией квантовой механики. Но есть человек, который двигает мою мечту о звездах. Это Илон Маск — человек, который воскресил в людях идею о покорении других планет. Наблюдая за его успехами, я понимаю, что это не просто идея: у него, у всех нас есть все шансы ее осуществить. Если я когда-нибудь решу, что с физикой покончено, то получу американское гражданство и пойду к нему работать. Шутка.

Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе

Ученым нужно становиться хотя бы потому, что заниматься наукой — интересно. Меньше рутины, ты ставишь задачи в передовых областях, постоянно учишься и думаешь об актуальных концептах, мозг постоянно настроен на восприятие чего-то нового. Есть знаменитая фраза «Ученый — это тот, кто не убил в себе ребенка», которая подтверждает мое мнение, что любопытство — это секрет работы в науке. Всегда нужно помнить, почему вы выбрали определенный факультет, направление, почему занимаетесь исследованием именно здесь. Чтобы не было «за деревьями не видно леса», чтобы вы всегда видели этот лес. Необходимо напоминать себе о важности своего дела.

В моих ближайших планах — продолжить работу на эксперименте NA61/SHINE, популяризировать науку, получить PhD и полететь на Марс.

Книги, которые советует Андрей:

• Л.Б. Окунь. «Элементарное введение в физику элементарных частиц»

• Caroline Webb. «How to Have a Good Day»

• Стивен Левитт, Стивен Дабнер. «Фрикономика»

Фотографии предоставлены Андреем Серяковым

Как физики изучают элементарные частицы? — ФПФЭ

Игорь Иванов,

Ох, нелегкая это работа. ..

В декабре 2006 года по лентам научных информагентств и СМИ прошло странное сообщение об открытии «свободных топ-кварков» в эксперименте DZero на коллайдере Тэватрон и о том, как это открытие приводит к «еще лучшему пониманию свойств материи» . На самом деле речь идет об изучение процесса одиночного рождения топ-кварка (без сопровождающего его антикварка), а самый достойный для широкого освещения аспект этого исследования заключается в том, как проводилось это исследование (см. подробности в заметке Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц).

Подавляющее большинство сообщений СМИ об этой работе изобилуют фактическими ошибками и неправильно расставленными акцентами. Но главное даже не это. Беда в том, что эти сообщения представляют в совершенно искаженном виде то, как работают физики, то, что именно они в конце концов получают, и то, зачем они этим занимаются. В этой статье на примере подробного анализа полного текста новости Ученые приблизились к пониманию строения земной материи я постараюсь объяснить, в чем именно заключаются ошибки, и рассказать, как всё обстоит на самом деле. (Эта конкретная новость не выделяется чем-то особенным из всего множества сообщений, а, скорее, служит их типичным представителем.) Начнем с заголовка.

Земная материя

Заголовок, конечно, крайне неудачен. «Строение земной материи» навевает мысли о геологии, но никак не о физике микромира. Чуть-чуть улучшить его можно было бы, убрав или заменив слово «земная», и в первой строчке заметки так и сделано. Однако эта замена всё равно ситуацию не исправляет просто потому, что получившаяся фраза совершенно никак не характеризует то, что же, собственно, сделано.

На самом деле, суть работы состоит в том, что наконец-то обнаружен редкий процесс в столкновении элементарных частиц. Если быть честными, то надо признать, что это в общем-то рутинный результат, который сам по себе ни к какому большому открытию не привел (хотя, в принципе, может — для этого надо будет улучшить точность эксперимента). Однако в этой истории есть два важных момента: во-первых, эта реакция очень интересует теоретиков, которые надеются с ее помощью проверить некоторые свои построения, а во-вторых, это был исключительно трудоемкий анализ, поэтому-то коллаборация так гордится результатом.

Я пока повременю с объяснением, что же на самом деле означает фраза «…на шаг приблизились к окончательному пониманию строения и свойств . .. материи», и перейду непосредственно к описанию эксперимента.

Почему кварки не бывают свободными

Крамольное слово «свободные» моментально превращает текст новости в фарс. Переводчик (вероятно, из ИТАР-ТАСС) лихо перевел «single top-quark production» как «рождение свободного топ-кварка», вскрыв тем самым целый пласт недопониманий, вот уже десятки лет сопровождающих эту тему. Поясню подробно, в чём тут дело.

Сначала — краткий экскурс в современную теорию строения вещества. Всё вещество состоит из атомов, а они состоят из компактного ядра и электронов, сидящих на своих электронных оболочках на большом (по сравнению с ядерными масштабами) удалении от ядра. Ядро, в свою очередь, — это набор протонов и нейтронов, крепко связанных друг с другом за счет ядерного взаимодействия.

Ядерное взаимодействие очень сильное, во много раз сильнее электромагнитного взаимодействия, ответственного за химические связи — достаточно сравнить энергию обычного, химического взрыва и ядерного взрыва. Однако у ядерных сил, связывающих протоны и нейтроны, и электромагнитных сил, связывающих отдельные атомы в молекулы, есть общая черта — они ослабевают при удалении частиц друг от друга. Именно поэтому можно получить свободный атом — то есть атом, отделенный от всех остальных атомов (манипулировать отдельными атомами с помощью скрещенных лазерных лучей физики научились уже давно). Можно также получить отдельный, свободный протон или нейтрон — они, например, вылетают из некоторых радиоактивных ядер.

Для того, чтобы изучить сильные взаимодействия, физики разгоняют элементарные частицы, например протоны, и сталкивают их друг с другом. Если энергия частиц невелика, то они просто упруго отскакивают друг от друга без какого-либо изменения. Если же энергия достаточно велика, то в столкновении протонов рождаются новые нестабильные частицы. Реакции первого типа относятся, скорее, к ядерной физике, а настоящая физика элементарных частиц занимается изучением реакций второго типа. Это, кстати, дало второе название физике элементарных частиц — физика высоких энергий.

Многочисленные эксперименты по столкновению частиц при высокой энергии навели физиков на мысль, что и протоны и нейтроны не элементарны, а состоят из других, более фундаментальных частиц — кварков. Семейство адронов — то есть частиц, состоящих из кварков, — очень велико: протоны, нейтроны, пи-мезоны, К-мезоны и т. д. (Отдельный кварк адроном не является.) Все они, за исключением протона, — нестабильны, распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т. п.

Однако ни разу ни в каком распаде никакого адрона не наблюдались свободные кварки. То есть адроны состоят из кварков, но распадаются не на них, а на группки кварков, а если кварков в исходном адроне для этого не хватает, то квантовые флуктуации породят столько кварк-антикварковых пар, сколько нужно.

Такая неожиданная особенность поведения кварков связана со свойствами сильного взаимодействия — глюонного поля, которое связывает кварки внутри адронов. В отличие от гравитационных или электрических сил, и даже в отличие от ядерных сил между протонами и нейтронами, сила взаимодействия, связывающего кварки, не уменьшается с удалением их друг от друга. В результате какую бы энергию мы ни передали отдельному кварку, он не сможет удалиться от своего соседа на какое-то экспериментально измеряемое расстояние. Более того, кварки, разлетевшиеся уже на несколько фемтометров (1 фм примерно равен размеру протона), обладают такой большой потенциальной энергией глюонного поля, что она тут же тратится на рождение других кварк-антикварковых пар. Иными словами, передав любому адрону достаточно большую энергию, мы дестабилизируем его, заставляем его тут же распадаться на другие адроны.

В этом смысле по-настоящему свободный кварк — то есть кварк, сильно отдаленный от всех иных кварков, — создать невозможно. Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, отвечающее за это вечное пленение кварков, называется конфайнмент. Это неизбежный вывод в рамках квантовой хромодинамики — единственной известной на сегодня теории, которая может описать все свойства адронов и их столкновений. (Несмотря на многочисленные попытки, никакой альтернативной теории, способной описать всю совокупность данных, так и не построено.)

Конечно, это всё очень непохоже на те силы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (что неудивительно — ведь все они, в конечном счете, сводятся к электромагнитным взаимодействиям и гравитации). Поэтому людям, которые считают, что все физические явления должны объясняться в простых, интуитивных, общепонятных терминах, здесь видится какой-то обман. Некоторые из них прямо говорят, что кварки вместе с их пленением — это всё выдумки теоретиков, которые попросту запутались в описании микромира. Либо частицы существуют — и тогда их можно выделить, либо они не существуют.

Разумеется, кварки существуют, этому имеется множество экспериментальных доказательств, которых ниспровергатели попросту не понимают, но речь тут даже не об этом. Речь о том, что заявление «обнаружены свободные кварки», прошедшее по многим СМИ и подкрепленное ссылками на пресс-релизы и научные статьи (да только кто же их читать будет, на буржуйском-то языке), попросту дает в руки «альтернативщикам» новую «дубинку». «Так, значит, кварки существуют в свободном виде, так что ж нам физики голову-то морочили! Вот и вскрылся обман, теперь-то им никуда не деться!»

В результате физикам приходится делать лишнюю работу, устраняя негативные последствия этих ошибочных сообщений, объяснять, что же на самом деле имелось в виду в этих «научных» новостях. Журналисты должны понимать, что такими безответственными сообщениями они не просто дезинформируют читателей, но и наносят удар по престижу современной физики и науки вообще.

Возвращаясь к утверждению о том, что кварки не существуют в свободном виде, замечу, точности ради, что и это еще не вся правда. Как раз топ-кварки отличаются от всех других кварков тем, что они — в некотором смысле! — всегда свободны. Дело в том, что конфайнмент начинает сказываться на движении кварка, лишь когда он отлетит от точки рождения на расстояния порядка 1 фм (10^–15 м). Однако топ-кварк обладает столь малым временем жизни, что такую «большую» дистанцию он просто не успевает пролететь. В результате рождение и распад топ-кварка можно описывать без учета эффектов конфайнмента — то есть не обращая внимания на то, что кварки связаны в адроны.

Наконец, стоит заметить, что называть топ-кварки «верхними» кварками не стоит. Термин «верхний кварк» уже давно закрепился за самым легким среди всех кварков — u-кварком (up-кварком). (Интересно отметить, что некоторые СМИ допустили тут двойную ошибку и прямо написали об «открытии свободного u-кварка». На самом деле, u-кварк — это самый обычный кварк, который наряду с d-кварком входит в состав протонов и нейтронов.)

Причина такого не самого удачного выбора имен в том, что с точки зрения слабых взаимодействий кварки объединяются в пары (то есть шесть кварков надо представлять себе как три пары). В таких парах одну частицу принято называть «верхней», а другую «нижней» (математически, такие пары похожи на два состояния спина электрона — спин вверх и спин вниз). Когда открыли первую пару кварков, то названия up «верхний» и down «нижний» напрашивались сами собой; названия для второй пары кварков — «странный» и «очарованный» — возникли по иным мотивам, а когда речь зашла про кварки третьей пары, то физики для своего удобства придумали синонимы английским словам up и down («верхний» и «нижний») — top и bottom; а в русском языке таких синонимов не нашлось (и up, и top на русский переводятся одним словом — «верхний»). Впрочем, у третьей пары есть и альтернативные названия — true и beauty, «истинный» и «прелестный» кварки.

Вся эта чехарда с именами особого значения не имеет, однако путаться в терминологии не стоит.

Что такое эксперимент в физике элементарных частиц

Эта фраза создает у читателя совершенно неверное представление о том, как вообще протекают эксперименты в физике элементарных частиц. Никакого отдельного эксперимента, поставленного исключительно для поиска одиночного топ-кварка, не было. Ускоритель и детекторы такой стоимости, такого уровня сложности и таких трудозатрат строятся для того, чтобы одновременно изучать огромное количество самых разнообразных процессов.

Изучение какого-то конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении одного-двух десятков лет — не непрерывно, конечно, а по нескольку месяцев в году (остальное время тратится на обслуживание, модернизацию, устранение неполадок или просто пережидание холодного времени года, чтоб не тратить дорогую электроэнергию). У физиков-ускорительщиков есть даже условная единица измерения — «стандартный ускорительный год», равный 10 миллионам секунд (физики любят подчеркивать, что это примерно в π раз меньше, чем длительность календарного года).

В течение всего этого времени регулярно, с частотой в миллионы раз в секунду, сталкиваются сгустки частиц. Кстати, сгусток (bunch) и пучок (beam) частиц — это не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летают, удерживаемые магнитным полем, вдоль одной и той же орбиты. Весь этот поток частиц образует пучок (а точнее, два встречных пучка, которые движутся по двум разным пересекающимся орбитам). Однако этот пучок не сплошной, а разбит на компактные кучки — сгустки, — следующие друг за другом на одинаковом расстоянии. В результате в точке пересечения двух встречных пучков частицы сталкиваются не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени; а вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц, который пытаются уловить всё, что рождается в столкновениях.

В каждом сгустке обычно собраны многие миллиарды частиц. Кстати, сгустки — это вовсе не «шарики» или «облачка» частиц, а длинные и тонкие «иглы» толщиной несколько десятков микрон и длиной порядка метра. (И вот этими летающими на встречных курсах «иглами» надо управлять так, чтобы в месте встречи они точь-в-точь пронзали друг друга!) Однако плотность частиц в сгустках не так велика, как может вначале показаться: плотность атомов в обычном веществе гораздо больше. В результате, когда два сгустка сталкиваются, то из всех миллиардов миллиардов «попыток» реально сталкивается лишь очень небольшое число частиц — одна-две, иногда несколько. Каждое такое столкновение у физиков называется громким словом «событие».

В подавляющем большинстве столкновений сгустков происходят какие-нибудь «неинтересные» события: например, небольшое отклонение одного из протона под действием электрических сил встречных частиц. Неинтересные они потому, что физики и так давным-давно знают всё, что происходит в этом процессе. Реже, но все-таки довольно часто, много раз в секунду, происходят и более интересные события — например, рождение и распад тяжелой нестабильной частицы, или рождение более стабильных частиц, которые уже долетают до детекторов и оставляют там свои следы (чуть позже я расскажу вкратце, как именно детектируются частицы, какой именно след они оставляют в детекторе). Вот это уже считается интересным событием, и такие события «в сыром виде» записываются для дальнейшей обработки. И уж совсем редко (раз в минуту, в час, в день — в зависимости от типа события) происходят очень интересные события — например рождение очень редких частиц или проявление очень слабых сил взаимодействия между частицами. Именно за такими очень интересными, но редкими событиям и охотятся физики. Именно они позволяют узнать то, что не было изучено в предыдущих экспериментах и над чем ломают головы теоретики.

Всё. Этот сбор «интересных» событий (как говорят физики, накопление статистики) — и есть эксперимент, проводящийся на данном детекторе. Самое интересное начинается дальше…

Самое интересное начинается дальше, на стадии обработки эксперимента. Из всей коллаборации выделяется группа в несколько (или в несколько десятков) человек, которой поручается извлечение какого-то определенного процесса из всей сырой статистики, накопленной, скажем, за 2002-2005 год. Например, поиск событий рождения одиночного топ-кварка. Или измерение массы какого-то конкретного мезона. Или попытки найти проявления некоторых экзотических моделей, которые в данное время в моде у теоретиков.

Экспериментаторы, порасспросив теоретиков и почитав статьи, изучают, что говорит теория по поводу нужной реакции, а также всех тех иных реакций, которые могут оказаться похожими на нее по своим следам в детекторе (такие реакции, которые присутствуют, но в данном анализе напрямую физиков не интересуют, называются «фоновыми процессами»). Результатом этого анализа становится список критериев, которым должна удовлетворять искомая реакция: например, столько-то частиц такой-то энергии, углы отклонения от оси не больше такой-то величины и т.  д. Затем перебираются все записанные сырые данные и извлекаются те, которые удовлетворяют нужным критериям.

Это первый, самый простой шаг. После него уже начинается тщательнейший анализ выбранных событий: строятся распределения по импульсами и энергиям, зачастую многомерные, пишутся и многократно перепроверяются специальные программы моделирования, оцениваются многочисленные погрешности как самого детектора, так и методики обработки, и многое другое. Каждый шаг многократно обсуждается и перепроверяется, регулярно проводятся рабочие встречи группы, на которых отслеживается прогресс в каждом из компонентов этого анализа.

На эту работу уходят минимум месяцы, часто — годы, так что участвующие в обработке студенты успевают защитить диссертации и стать полноправными учеными. Однако на масштабе всей коллаборации одновременно идут десятки таких анализов разных процессов, и потому свежие результаты коллаборации появляются регулярно.

Возвращаясь к фразе из заметки, становится понятно, что никакой эксперимент не закончился 8 декабря. В этот день был представлен лишь окончательный доклад группы, которая занималась выделением сигнала одиночного топ-кварка, всем остальным членам коллаборации. Препринт об этом исследовании, hep-ex/0612052, появился 21 декабря, но сам эксперимент продолжает свою работу и по сей день.

Кстати, стоит подчеркнуть, что соавторами каждой такой статьи становятся все участники коллаборации, а не только непосредственно те люди, которые занимались обработкой данных и поиском нужного сигнала. Это стандартная политика, которой придерживаются все большие коллаборации в физике элементарных частиц, и потому приписывать честь открытия только группе из 50 человек под руководством Энн Хейнсон (Ann Heinson), которые непосредственно анализировали события, было бы пренебрежением к «кодексу чести» физиков-экспериментаторов.

В этом вопросе СМИ тоже не избежали ошибок. Тут и тут, например, утверждается, что Энн Хейнсон является руководителем всей коллаборации DZero и что именно под ее руководством был поставлен эксперимент. На самом деле руководят коллаборацией DZero другие люди, и насчитывает она не 50, а более 500 исследователей. (Это число изменяется со временем; см. график численности исследователей и их базовых организаций.)

Ясно также, что не завершения эксперимента ждали физики 12 лет. Они ждали, когда статистики накопится достаточно много, а методы ее обработки станут достаточно «прозорливыми», чтобы углядеть искомый сигнал на нужном уровне статистической значимости. Развитие ситуации было вовсе не столь прямолинейное: закончился эксперимент — и сразу открытие. На самом деле нужные события время от времени регистрировались на протяжении последних лет, и постепенно росла уверенность, что действительно наблюдается искомый сигнал, а не проявление фоновых процессов. Были и более ранние публикации этой же группы, посвященные поиску одиночного топ-кварка, в которых сообщалось, что статистика пока не позволяет сделать выводы о существовании этого процесса, но и не противоречит ему. Сейчас же произошло лишь одно: вероятность «случайного совпадения» стала настолько малой, что физики уже имели право сказать: в нашем эксперименте действительно есть указание на существование искомого процесса. Поскольку эксперимент продолжается, то через год-полтора стоит ожидать новую публикацию по этой теме, с более точным результатом измерения вероятности процесса одиночного рождения топ-кварка.

Интересно, кстати, заметить, что разница между собственно экспериментом и его обработкой становится наиболее явной по окончании работы какого-то большого эксперимента. Иногда даже складывается такая парадоксальная ситуация. Эксперимент, скажем, за пять своих последних лет работы накопил столько статистики, что ее просто некому стало обработать. Молодежь уже на этот эксперимент не идет — ведь он закончился! — группа редеет, все заняты подготовкой нового эксперимента, заниматься обработкой старого уже недосуг. В результате сырые данные со всеми своими возможными открытиями так и лежат, пылятся, никто за них и не берется. Эксперимент проведен, но остался не расшифрован.

Мощнейший в мире ускоритель

Эпитет «мощнейший» неудачен. Что мощнее — самолет-истребитель или товарный поезд из 100 вагонов? Разумеется, надо сравнивать не некую фиктивную «мощность», а те ключевые параметры, которые характеризуют физическую установку. Для коллайдера это полная энергия, светимость и, если хотите, скорость разогнанных частиц.

По всем этим параметрам Тэватрон не лидер. Энергия протонов в Тэватроне составляет около 1 ТэВ (10¹² электронвольт, эВ), но на коллайдере ультрарелятивистских ионов RHIC ядра золота разгоняются аж до 20 ТэВ. Правда, эта энергия распределена поровну между всеми 197 нуклонами, из которых состоит ядро золота, так что на каждый из них приходится только 0,1 ТэВ. Кстати, летящий по комнате комар тоже обладает примерно такой же кинетической энергией — в несколько (десятков) ТэВ, только распределена эта энергия между всеми его 10²² атомами.

Скорость протонов, разогнанных на Тэватроне, больше, чем на RHIC, это верно. Однако практически любой электрон-позитронный коллайдер легко переплюнет Тэватрон и по этому параметру. Дело в том, что скорость ультрарелятивистских частиц (то есть частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света c) зависит не столько от самой энергии, сколько от отношения энергии разогнанных частиц к энергии покоя, то есть к массе. Это отношение называется гамма-фактором, и скорость частицы вычисляется по формуле (v/c)² = 1 – 1/γ². На коллайдере RHIC γ составляет около 100, а на Тэватроне — 1000, поэтому и скорости будут равны, соответственно, 0,99995 и 0,9999995 c. Кстати, видно, что скорость протонов в Тэватроне превышает скорость ядер в RHIC всего на 15 км/сек — мелочи по сравнению со скоростью света. На довольно скромном электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2М в Новосибирске, верой и правдой отслужившем не один десяток лет, электроны разгонялись до энергии всего 0,7 ГэВ (0,7 × 10⁹ эВ). Однако этой небольшой энергии соответствует гамма-фактор 1400, а значит, скорость 0,99999975 c, что на 75 м/с превышает скорость протонов в Тэватроне.

Все эти числа подчеркивают одну простую мысль: сравнение скоростей ультрарелятивистских частиц не имеет особого смысла, так что слова про «огромную скорость» протонов по большому счету пустые, но даже по этому параметру Тэватрон вовсе не лидер.

Остается светимость — величина, показывающая насколько эффективен коллайдер, то есть как часто удается провести реакции нужного типа. Эта величина зависит от многих параметров ускорителя: от частоты столкновения сгустков, от количества частиц в каждом сгустке и от того, насколько плотно они сфокусированы в месте столкновения. Так вот, светимость электрон-позитронных коллайдеров KEKB в Японии и PEP-II в США, в Стэнфорде (на этих двух ускорителях работают так называемые b-фабрики) в сто раз превосходит светимость Тэватрона.

Так почему же Тэватрон умудряется делать открытия, недоступные другим коллайдерам? По какому параметру он лидер?

Он лидер по концентрации энергии, то есть по энергии, приходящейся на одну частицу. Когда на RHIC сталкиваются друг с другом два ядра, то самые жесткие реакции протекают не на уровне цельных ядер, а на уровне отдельных протонов. Именно поэтому на Тэватроне с энергией 1 ТэВ на протон идут те реакции, которые невозможны (а точнее, теоретически возможны, но обладают бесполезно малой вероятностью) на RHIC с его энергией 20 ТэВ на ядро и уж тем более — в столкновении двух комаров с той же энергией.

Практика перевода с английского на русский

Эта наукообразная фраза даже не неправильна, она просто бессмысленна. Причина этого — сразу несколько смысловых ошибок, вызванных неправильным переводом исходной фразы из пресс-релиза.

Во-первых, подчеркну, что в описываемом эксперименте вовсе не «впервые обнаружены топ-кварки». Эти кварки были открыты еще в 1995 году, однако до сих пор надежно был изучен только процесс парного рождения топ-кварка и его антикварка. Так что в этой работе изучались не «признаки существования» топ-кварка, а признаки его одиночного рождения.

Слово «оттенены», может быть, и красивое, но использовано оно не к месту. Это слово наводит на мысль, что «другие процессы» подчеркивают, делают более выразительным искомый процесс. На самом деле, ситуация совершенно противоположная: другие процессы слишком похожи по своим проявлениям на рождение одиночного топ-кварка и мешают его выделению из накопленной статистики. В англоязычной литературе в этой ситуации используют слово «mimic», что на русский можно более точно перевести как «имитируют», «маскируют», в крайнем случае — «затмевают собой»: посторонние, фоновые процессы затмевают собой искомый сигнал.

Далее, ясно что никакие процессы «на уровне атомов» тут не могут играть никакой роли. Атомные и молекулярные явления протекают на расстояниях в миллионы раз больших, временах в миллиарды раз больших, и при энергиях в десятки миллиардов раз меньших, чем те, на которых происходит рождение и распад топ-кварка. Напомню, что жизнь топ-кварка столь быстротечна, что он ничего не успевает узнать даже про атомные ядра, не говоря уж об атомах! Процессы, которые маскируют одиночное рождение топ-кварка, это тоже субъядерные процессы, которые никаким боком к атомным явлениям не относятся. В пресс-релизе использован термин «субатомные процессы», который, конечно, тоже не очень точен, но, по крайней мере, осмыслен.

Наконец, оборот речи «…которые происходят на более высоких уровнях» возник из фразы «…that occur at much higher rates», что означает всего лишь «… которые происходят с более высокой частотой».

Итак, процитированная фраза на самом деле означает следующее: «Проявления рождения одиночного топ-кварка легко теряются на фоне гораздо большего числа похожих на него посторонних процессов.»

Ох, нелегкая это работа…

Замечу, во-первых, что во фразе «пришлось применять чрезвычайные сложные критерии отбора» и заключена основная суть описываемой новости. Именно это есть то, чем так гордятся авторы этой работы. Более подробно об этом можно прочитать в заметке Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц.

Второе замечание более тонкое. Если начало фразы «На первой стадии они выбрали примерно 1400 событий…» верное (разумеется, после исправления «процессов» на «событий»), то окончание — «… удалось выявить 62 случая рождения одиночных топ-кварков» — совершенно неверное (даже после исправления другой ошибки «свободных» на «одиночных»). Эта фраза подразумевает, что после кропотливого анализа физики разделили все 1400 событий на две «кучки»: вот те 62 события, которые нас интересуют, а вот остальные 1338 событий, которые нас не интересуют. Так вот, такое разделение в данном анализе попросту невозможно! На этом моменте стоит остановиться подробнее, потому что он иллюстрирует одну из важных трудностей в анализе сложных процессов элементарных частиц.

Начну с аналогии. Представьте себе директора кинотеатра, который недоволен посещаемостью своего заведения — статистика за последний год говорит ему, что продается в среднем по 20-30 билетов на сеанс. Обычно это или случайные посетители, или завсегдатаи, взявшие в привычку ходить на все новые фильмы подряд. Для того чтобы привлечь побольше публики, директор перед очередным показом провел массированную рекламную кампанию, и в результате на следующий сеанс было продано аж 60 билетов!

Можно ли примерно оценить эффект от рекламной кампании? Да, конечно; она привела 30-40 новых человек. Для более точного анализа надо сначала нарисовать график посещаемости нескольких последних сеансов и выяснить тенденцию изменения посещаемости до рекламной кампании. Затем эту тенденцию нужно экстраполировать на сегодняшний сеанс, вычислить ожидаемое количество посетителей без рекламы и, сравнив его с фактической продажей билетов, получить рекламный эффект.

Хорошо, но можно ли в этом случае сказать что-то определенное про конкретного посетителя, купившего билет, скажем, за номером 45? Привела ли его реклама или же это был «постоянный клиент»? Не расспросив его, этого узнать нельзя — факт продажи билета никак не различает эти две возможности. То есть, сравнивая статистику «раньше» и «сейчас», мы можем узнать примерное количество людей в целом, пришедших благодаря рекламе, однако в каждом конкретном случае, про каждого конкретного посетителя мы не можем сказать ничего достоверного.

В случае оценки вероятности одиночного рождения топ-кварка ситуация ровно такая же. Один и тот же набор частиц, долетевших до детекторов, мог получиться как в результате рождения и распада топ-кварка, так и без него. Указать, какие конкретно события среди этих 1400 событий получились за счет топ-кварка, — невозможно. Максимум, что можно оценить — это вероятность того, что данное событие получилось за счет топ-кварка. Однако это не мешает ученым выяснить на основании статистического анализа всей выборки в целом, каков в среднем процент топ-кварковых событий.

Для этого физики — по аналогии с графиком посещаемости кинотеатра — строят график распределения событий по кинематическим параметрам — например, по энергиям зарегистрированных частиц или по углам их разлета друг относительно друга. В таких распределениях искомые события, вызванные рождением и распадом топ-кварка, выглядят как небольшой «бугорок» на плавном фоне гораздо большего числа событий, вызванных иными процессами. Сравнив количество событий непосредственно на пике и вдали от него, можно примерно оценить количество топ-кварковых событий.

Стоит, впрочем, подчеркнуть, что в данном анализе этот бугорок был столь маленький, что просто так его и не заметишь. Именно для этого пришлось строить несколько десятков разных распределений и использовать умные алгоритмы, натренированные на распознавание таких сигналов.

Возвращаясь к процитированной фразе, поясню напоследок, откуда появилось это загадочное число 62. Всё очень просто: 62 ± 13 — примерно столько событий предсказывалось на основании Стандартной модели. Кстати, в пресс-релизе всё написано четко: «Of these [1400] candidates, only about 60 single-top events were expected…» То есть «ожидалось, что среди этих кандидатов должно быть около 60 событий рождения одиночного топ-кварка», но никто не утверждает, что эти конкретные события были однозначно выделены. Количество топ-кварковых событий, действительно наблюдавшихся в эксперименте, можно оценить лишь очень приближенно, и эта оценка не противоречит ожидаемым значениям.

Сто тысяч миллионов

Здесь есть любопытный момент: разные СМИ написали тут совершенно разные числа. Например, Газета.ру, цитируя ИТАР-ТАСС, вначале сообщила о «…миллионах миллиардов столкновений элементарных частиц», а затем в подробной заметке написала про «… миллионы миллионов столкновений частиц».

Числа, приведенные в пресс-релизе, тоже могут сбить с толку. Вначале говорится о миллионах миллиардов протон-антипротонных столкновений, а затем уже про два миллиарда событий, зарегистрированных с 2002 года. Какие же из этих чисел верны и что они обозначают на самом деле?

Давайте сначала сделаем простую оценку, используя известные параметры коллайдера. (Краткую информацию об основных параметрах всех современных ускорителей можно найти в сводке High-energy collider parameters, Pdf, 80 Кб.) Протонные сгустки на Тэватроне сталкиваются каждые 400 нс, то есть 2,5 миллиона раз в секунду. В течение стандартного ускорительного года произойдет несколько десятков триллионов (миллионов миллионов) столкновений сгустков. Далее, в каждом столкновении сгустков может произойти несколько (обычно не более 10) независимых столкновений отдельных элементарных частиц. Умножая на четыре года, получаем примерно не более одного миллиона миллиардов столкновений отдельных элементарных частиц.

Однако, как уже говорилось, в подавляющем большинстве случаев эти события совершенно неинтересны. Кроме того, у экспериментаторов просто нет возможности записывать абсолютно все события, оставившие хоть какой-то след в детекторе. Поток данных в этом случае составил бы сотни гигабайт в секунду, или многие петабайты (петабайт — это миллион гигабайт) в сутки, а такие емкости — при всём уважении к достижениям хайтека — пока недостижимы. Поэтому без отсева событий не обойтись, и тут интересно поговорить о том, как детектор — в данном случае DZero на Тэватроне — умудряется справиться с такой лавиной данных.

Обычно после каждого столкновения какие-то частицы рождаются, пролетают сквозь детектор и оставляют в нём свой след. Например, высокоэнергетические заряженные частицы ионизируют вещество на своем пути — выбивают электроны из атомов. Эти бездомные электроны быстро оседают на расположенных поблизости электродах, электроды передают заряд преобразователю, который дает сигнал на выходе из детектора: «электрод номер такой-то собрал столько-то заряда». Если же частица поглощается в детекторе без остатка, то часть ее энергии выделяется в видимом свете. Этот свет собирают фотоумножителями, и на выходе появляется сигнал: «фотоумножитель номер такой-то собрал столько-то фотонов». Из набора таких сигналов и складывается суммарный первичный отклик всего детектора.

Весь набор электроники, которая решает, нужно ли на эти сигналы обращать внимание или их можно проигнорировать, называется триггер. По сути дела, триггер — это «диспетчерская», работающая месяцами без остановки в режиме жесточайшего цейтнота.

Сырые данные, которые детектор выдает при каждом столкновении, то есть несколько миллионов раз в секунду, поступают вначале на триггер первого уровня — электронную схему, которая должна увидеть в этих разрозненных данных какие-нибудь объекты. Например, если несколько соседних электродов, расположенных по цепочке, сообщили об осевшем на них заряде — то это хорошо, это значит, тут прослеживается трек — кусочек траектории какой-то частицы. Если таких треков набралось несколько, значит это событие может оказаться интересным и его стоит проанализировать подробнее. Триггер первого уровня пропускает его дальше.

Триггер первого уровня работает в очень суровых условиях — на всё про всё ему выделено несколько микросекунд! Слишком долго думать нельзя — иначе буфер переполнится, и те события, которые идут следом, просто потеряются. Поэтому триггер первого уровня работает на алгоритмах, встроенных в микросхемы — без какого-либо программного обеспечения или операционной системы, исключительно на уровне «железа».

Событий, отобранный триггером первого уровня, уже намного меньше, чем изначальных — около 2 тысяч в секунду. Они поступают на триггер второго уровня, у которого две задачи: во-первых, полностью оцифровать все сигналы, а во-вторых, выяснить, что за частицы пролетели, сколько их было. Этот триггер делает первый набросок общей картины того, что же «увидел» детектор. С этой задачей триггер должен справиться за 100 микросекунд, и если событие удовлетворяет заранее введенным критериям, передать его дальше.

Эти события, примерно тысяча в секунду, поступают на триггер третьего уровня, а точнее на целую «фабрику» таких триггеров, которые работают параллельно. Каждому такому триггеру дается в тысячу раз больше времени — целая десятая доля секунды! — и за это время он должен полностью разобраться с тем, что это было за событие. Ему надо вычислить углы вылета частиц, их импульсы и энергии, инвариантные массы, проверить суммарный баланс импульса и энергии и т. д. Именно на этой стадии из всех событий, в которых было хоть что-то нетривиальное, выделяются события, которые считаются интересными с точки зрения физики. Таких событий получается около 50 в секунду, и вот они-то и записываются на ленту. (Да-да, сырые данные на Тэватроне записываются не на жесткие диски, а на магнитную ленту.)

Сколько же таких зарегистрированных событий наберется за 4 стандартных ускорительных года? 50 записанных событий в секунду, полмиллиарда событий в год, 2 миллиарда событий за 4 года. Это и есть тот исходный массив данных, из которого группа и начала выбирать события с рождением одиночного топ-кварка.

Читателю, заинтересовавшемуся работой триггеров и — более широко — front-end электроникой, используемой на детекторах элементарных частиц, можно для первого знакомства порекомендовать классическую книгу Клауса Групена «Детекторы элементарных частиц». Подробности про реализацию триггеров на детекторе DZero можно узнать из обзорной статьи The Upgraded D0 detector или из подборки статей по различным компонентам триггера на DZero.

По мнению ученых…

Этот абзац, в целом, правильный. Небольшого комментария заслуживает только фраза «… после так называемого «Большого взрыва», с которого, как предполагают ученые…».

Я понимаю, что этот пассаж покажется журналисту вполне невинным, даже в какой-то мере «честным», отражающим беспристрастность журналиста — «я лишь передаю мнение ученых». Пикантность этой ситуации состоит в том, что совсем недавно, в феврале 2006 года, в NASA разразился административно-политический скандал, как раз связанный со статусом факта / теории / гипотезы Большого взрыва.

Суть, вкратце, такова. В октябре 2005 года администрация Джорджа Буша назначила человека из своего окружения — некоего Джорджа Дойча (George Deutsch), 24-летнего молодого человека с неоконченным журналистским образованием — специалистом NASA по связям с общественностью. Его первыми шагами стала попытка заменить во всей публичной информации NASA все слова «Большой взрыв» на слова «теория Большого взрыва». Мотивация состояла в том, что Большой взрыв — это не факт, это мнение ученых, а значит, необходимо постоянно подчеркивать, что это есть только мнение. Более того, Дойч утверждает, что вопрос о происхождении мира не столько научный, сколько религиозный, а значит, нельзя подрастающему молодому поколению говорить о Большом взрыве как факте.

Реакция сотрудников NASA и научного сообщества в целом была бурной, и в течение нескольких дней Дойч уволился. Подробности этого скандала можно узнать, например, в блоге CosmicVariance или Bad Astronomy. Суть же можно сформулировать так: есть вещи, серьезное сомнение в которых эквивалентно шагу обратно в средневековье. Звезды — вовсе не дырки в хрустальном небосводе; вся материя действительно состоит из атомов; эволюция Вселенной действительно началась со сверхплотной и сверхгорячей фазы много миллиардов лет назад. Всем этим — формально — гипотезам есть столько объективных подтверждений, что их необходимо считать фактами, несмотря на то, что вы никогда не долетите до звезд, не пощупаете руками отдельные атомы и не сможете обратить время вспять (вот, например, подробный список наблюдательных данных, подтверждающих теорию Большого взрыва). Серьезное обсуждение в популярной литературе возможности, что это всё неверно, приведет к прямому вреду для молодежи.

И снова о материи

Вот здесь самое место объяснить, почему и в каком смысле эта работа приближает ученых «… к окончательному пониманию строения и свойств окружающей нас материи». Тут есть сразу два повода для разговора.

Не все процессы, протекающие в столкновениях элементарных частиц, одинаково интересны. Реакция рождения одиночного топ-кварка более интересна, чем рождение кварк-антикварковой пары, потому что позволяет проверить предположения, сделанные при построении теории электрослабых взаимодействий. Эта теория является ключевым элементом современной Стандартной модели элементарных частиц, но экспериментально она еще проверена не полностью. Не исключено, что есть новые, еще не открытые тяжелые частицы, которые влияют на рождение топ-кварка. Не исключено также, что свойства хиггсовского бозона (кстати, бозон по-английски пишется с одним «s» — boson), за которым физики охотятся уже не первый десяток лет, более экзотические, чем считается сейчас, и тоже могут изменить вероятность одиночного рождения топ-кварка. Так или иначе, есть сразу несколько разных теорий, в которых свойства этого процесса отличаются от предсказаний Стандартной модели, потому-то его изучение очень полезно.

Второй момент состоит в том, что на том же Тэватроне продолжаются поиски и процесса прямого рождения хиггсовского бозона — последнего недостающего «кирпичика» Стандартной модели (подробное обсуждение роли хиггсовского бозона в теории выходит за рамки этой статьи; в качестве введения можно порекомендовать статью Николая Никитина Время искать Хиггс). Хватит ли у Тэватрона чувствительности для обнаружения хиггсовского бозона — вопрос сложный. Так же, как и одиночное рождения топ-кварка, рождение хиггсовского бозона — очень редкий процесс, и выделить его из всех фоновых процессов будет чрезвычайно трудной задачей. Однако история с одиночным топ-кварком внушает оптимизм: умные алгоритмы действительно существенно повышают «прозорливость» ученых в этой задаче. На топ-кварке физики отточили технологию и алгоритмы поиска, и теперь готовы применить их к накапливающейся статистике хиггсовских событий.

Напоследок я хочу еще раз подчеркнуть одну простую мысль. Не будет преувеличением сказать, что крупные эксперименты в современной физике элементарных частиц — это одни из самых сложных успешно реализованных технологических задач, которые человечество когда-либо ставило перед собой. Из-за этой сложности — как в мотивации, так и в исполнении — популярный рассказ о них тоже становится трудным занятием, требующим от рассказчика хорошего понимания предмета. Без этого понимания из-под пера журналиста появляется не просто неправильный, но и вредный текст: крупное достижение науки превращается в бессмыслицу.

В заключение я предлагаю читателям проанализировать текст аналогичных новостей на сайтах других СМИ и самим найти встречающиеся в них «вредные» ошибки.

Оригинал статьи читайте на популярном сайте о фундаментальной науке “Элементы”.

Чего создали большой адронный коллайдер. Большой адронный коллайдер

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

• Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

• Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

• Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
• Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
• Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
• Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

• LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

• Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
• Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

• Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
• Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
• Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
• Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии – ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

• В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
• В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.

Определение большого адронного коллайдера звучит так: БАК является ускорителем заряженных частиц, и создан он с целью разгона тяжелых ионов и протонов свинца, и исследования тех процессов, которые происходят при их столкновении. Но зачем это нужно? Таит ли в себе это какую-то опасность? В этой статье мы и будем отвечать на эти вопросы, и попробуем понять, зачем нужен большой адронный коллайдер.

Что собой представляет БАК

Большой адронный коллайдер – это огромнейший тоннель кольцеобразной формы. Он похож на большую трубу, которая разгоняет частицы. Находится БАК под территорией Швейцарии и Франции, на глубине 100 метров. Ученые всего мира принимали участие в его создании.

Цель его постройки:

• Найти бозон Хиггса. Это механизм, который наделяет частицы массой.
• Изучение кварков – это фундаментальные частицы, которые входят в состав адронов. Поэтому и название коллайдера «адронный».

Многие думают, что БАК является единственным ускорителем в мире. Но это далеко не так. Начиная с 50-х годов 20 века в мире построен не один десяток подобных коллайдеров. Но большой адронный коллайдер считается самым масштабным сооружением, длина его составляет 25,5 км. Кроме этого, в него входит еще один ускоритель, меньший по размеру.

СМИ о БАК

В СМИ, еще с начала создания коллайдера, появилось огромное количество статей об опасности и дороговизне ускорителя. Основная масса людей считает, что деньги потрачены зря, они не могут понять, зачем тратить столько средств и сил на поиски какой-то частицы.

• Большой адронный коллайдер не является самым дорогим научным проектом в истории.
• Основная цель этой работы – бозон Хиггса, для открытия которого и созданадронный коллайдер. Результаты этого открытия принесут человечеству множество революционных технологий. Ведь изобретение сотового телефона тоже когда-то было встречено негативно.

Принцип работы БАК

Рассмотрим, как выглядит работа адронного коллайдера. Он на больших скоростях сталкивает пучки частиц, а затем следит за их последующим взаимодействием и поведением. Как правило, на вспомогательном кольце сначала разгоняется один пучок частиц, а уже после этого он отправляется в кольцо основное.

Внутри коллайдера частицы удерживают множество сильнейших магнитов. Так как столкновение частиц происходит за доли секунды, то их перемещение фиксируют высокоточные приборы.

Организацией, которая осуществляет работу коллайдера, является ЦЕРН. Именно она, 4 июля 2012 года, после огромных денежных вложений и трудов, официально объявила о том, что бозон Хиггса таки найден.

Зачем БАК нужен

Теперь необходимо понять, что же дает БАК обычным людям, зачем адронный коллайдер нужен.

Открытия, связанные с бозоном Хиггса и изучение кварков, могут привести в перспективе к новой волне научно-технического прогресса.

• Грубо говоря, масса является энергией в состоянии покоя, а значит, в будущем есть возможность преобразовать материю в энергию. И, следовательно, не будет проблем с энергией и появится возможность межзвездных путешествий.
• В будущем изучение квантовой гравитации позволит управлять гравитацией.
• Это дает возможность подробнее изучить М-теорию, которая утверждает, что в мироздание входит 11 измерений. Это изучение позволит глубже понять строение Вселенной.

О надуманной опасности адронного коллайдера

Как правило, люди боятся всего нового. Опасения у них вызывает и адронный коллайдер. Опасность же его надумана и разжигается в СМИ людьми, не имеющими естественно-научного образования.

• В БАК сталкиваются адроны, а не бозоны, как пишут некоторые журналисты, пугая людей.
• Подобные приборы работают уже много десятилетий и приносят не вред, а пользу науке.
• Предположение о столкновении протонов с высокими энергиями, в результате которых могут возникнуть черные дыры, опровергается квантовой теорией гравитации.
• В черную дыру может коллапсировать только звезда в 3 раза тяжелее солнца. Так как в солнечной системе таких масс нет, то и черной дыре неоткуда возникнуть.
• Из-за той глубины, на которой находится коллайдер под землей, его излучение не представляет опасности.

Мы узнали, что такое БАК и для чего нужен адронный коллайдер и поняли, что опасаться его не стоит, а лучше ждать открытий, которые сулят нам большой технический прогресс.

Специалисты Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком.

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель, предназначенный для разгона элементарных частиц (в частности, протонов).

Находится на территории Франции и Швейцарии и принадлежит Европейскому совету по ядерным исследованиям (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN, ЦЕРН).

На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.

8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за “теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц”.

В декабре 2013 года, благодаря анализу данных с помощью нейронных сетей, физики ЦЕРНа впервые следы распада бозона Хиггса на фермионы — тау-лептоны и пары b-кварк и b-антикварк.

В июне 2014 года ученые, работающие на детекторе ATLAS, после обработки всей накопленной статистики, уточнили результаты измерения массы хиггсовского бозона. По их данным масса бозона Хиггса равна 125,36 ± 0,41 гигаэлектронвольт. Это практически совпадает — как по значению, так и по точности — с результатом ученых, работающих на детекторе CMS.

В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где “живут” бозоны Хиггса. Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая “частица бога”.

14 июля 2015 года стало известно, что специалисты Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком. Изучение свойств пентакварков позволит лучше понять, как устроена обычная материя. Возможность существования пентакварков сотрудники Петербургского института ядерной физики имени Константинова Дмитрий Дьяконов, Максим Поляков и Виктор Петров.

Данные, собранные БАК на первом этапе работы, позволили физикам из коллаборации LHCb, занимающейся поиском экзотических частиц на одноименном детекторе, “поймать” сразу несколько частиц из пяти кварков, получивших временные имена Pc(4450)+ и Pc(4380)+. Они обладают очень большой массой – около 4,4-4,5 тысячи мегаэлектронвольт, что примерно в четыре-пять раз больше, чем аналогичный показатель для протонов и нейтронов, а также достаточно необычным спином. По своей природе они представляют собой четыре “нормальных” кварка, склеенных с одним антикварком.

Статистическая достоверность открытия девять сигма, что эквивалентно одной случайной ошибке или сбою в работе детектора в одном случае на четыре миллиона миллиардов (10 в 18 степени) попыток.

Одной из целей второго запуска БАК станет поиск темной материи. Предполагается, что обнаружение такой материи поможет решить проблемы скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

Новость о проводимом в Европе эксперименте сколыхнула общественное спокойствие, поднявшись на первые позиции списка обсуждаемых тем. Адронный коллайдер засветился всюду – на ТВ, в прессе и интернете. Что уж говорить, если жж-юзеры создают отдельные сообщества, где уже сотни неранодушных активно высказали свое мнения по поводу нового детища науки. «Дело» предлагает вам 10 фактов, которые нельзя не знать об адронном коллайдере .

Таинственное научное словосочетание перестает быть таковым, как только мы разберемся со значенем каждого из слов. Адрон – название класса элементарных частиц. Коллайдер – специальный ускоритель, с помощью которого возможно передать элементарным частицам вещества высокую энергию и, разогнав до высочайшей скорости, воспроизвести их столкновение друг с другом.

2. Почему о нем все говорят?

По мнению ученых Европейского центра ядерных исследований CERN, эксперимент позволит воспроизвести в миниатюре взрыв, в результате которого миллиарды лет назад образовалась Вселенная. Однако больше всего общественность волнует то, какими будут последствия мини-взрыва для планеты в случае неудачного исхода эксперимента. По мнению некоторых ученых, в результате сталкивания элементарных частиц, летящих с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях, образуются микроскопические черные дыры, а также вылетят другие опасные частицы. Полагаться же на специальное излучение, приводящее к испарению черных дыр особо не стоит – экспериментальных подтверждений тому, что оно работает, нет. Потому-то к такой научной инновации и возникает недоверие, активно подогреваемое скептически настроенными учеными.

3. Как работает эта штуковина?

Элементарные частицы разгоняются на разных орбитах в противоположных направлениях, после чего помещаются на одну орбиту. Ценность замысловатого устройства в том, что благодаря ему ученые получают возможность исследовать продукты столкновения элементарных частиц, фиксируемые специальными детекторами в виде цифровых фотокамеры с разрешением в 150 мегапикселей, способных делать 600 миллионов кадров в секунду.

4. Когда появилась идея создать коллайдер?

Идея строительства машины родилась еще в 1984 году, однако строительство туннеля началось только в 2001 году. Ускоритель расположен в том же туннеле, где прежде находился предыдущий ускоритель – Большой электрон-позитронный коллайдер. 26,7 – километровое кольцо проложено на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. 10 сентября в ускорителе был запущен первый пучок протонов. В ближайшие несколько дней будет запущен второй пучок.

5. Во сколько обошлось строительство?

В разработке проекта участвовали сотни ученых всего мира, в том числе и российские. Его стоимость оценивается в 10 миллиардов долларов, из них 531 миллион в строительство адронного коллайдера вложили США.

6. Какой вклад внесла Украина в создание ускорителя?

Ученые украинского Института теоретической физики приняли непосредственное участие в построении андронного коллайдера. Специально для исследований ими была разработана внутренняя трековая система (ITS). Она является сердцем «Алисы» — части коллайдера , где должен произойти миниатюрный «большой взрыв». Очевидно, весьма не последняя по значимости деталь машины. Украина должна ежегодно выплачивать 200 тысяч гривен за право участия в проекте. Это в 500-1000 раз меньше взносов в проект других стран.

7. Когда ждать конца света?

Первый эксперимент по столкновению пучков элементарных частиц намечен на 21 октября. До этого времени ученые планируют разогнать частицы до скорости, приблеженной к скорости света. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры нам не грозят. Однако в случае, если теории с дополнительными пространственными измерениями окажутся верны, у нас осталось не очень много времени, чтоб успеть решить все свои вопросы на планете Земля.

8. Чем страшны черные дыры?

Чёрная дыра – область в пространстве-времени, сила гравитационного притяжения которой настолько сильна, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут ее покинуть. Существования черных дыр подтверждается решениями уравнений Эйнштейна. Не смотря на то, многие уже представляют себе, как образовавшаяся в Европе черная дыра, разрастаясь, поглотит всю планету, бить тревогу не стоит. Черные дыры , которые, согласно некоторым теориям, могут появиться при работе коллайдера , согласно все тем же теориям, будут существовать на протяжении настолько короткого отрезка времени, что просто не успеют начать процесс поглощения материи. По утверждениям некоторых ученых, они даже не успеют долететь до стенок коллайдера.

9. Чем могут быть полезны исследования?

Помимо того, что данные исследования – очередное невероятное достижения науки, которое позволит человечеству узнать состав элементарных частиц, это еще не весь выигрыш, ради которого человечество пошло на такой риск. Возможно, в скором будущем мы с вами сможем воочию увидеть динозавров и обсудить наиболее эффективные военные стратегии с Наполеоном. Российские ученые полагают, что в результате эксперимента человечеству станет посильным создание машины времени.

10. Как произвести впечатление научно подкованного человека с помощью адронного коллайдера?

Ну и наконец, если кто-либо, заранее вооружившись ответом, спросит у вас, что же это такое адронный коллайдер, предлагаем вам достойный вариант ответа, способного приятно удивить любого. Итак, пристегнули ремни! Адронный коллайдер – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов на встречных пучках. Построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований и представляет собой 27-километровый туннель, проложенный на глубине 100 метров. В связи с тем, что протоны электрически заряжены, ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Они могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. Ученые побаиваются, что в результате эксперимента могут образоваться пространственно-временны́е «туннели» в пространстве, которые являются типологической особенностью пространства-времени. В результате эксперимента также может быть доказано существование суперсимметрии, которая, таким образом, станет косвенным подтверждением истинности теории суперструн.

Почему большой адронный коллайдер не может передать больше энергии своим частицам?

Ускорение частиц по кругу, их изгибание с помощью магнитов и столкновение с . .. [+] дополнительными частицами высоких энергий или античастицами – один из самых эффективных способов исследовать новую физику во Вселенной. Чтобы найти то, что не может БАК, мы должны перейти к более высоким энергиям и / или более высокой точности, а для этого потребуется туннель большего размера.

Глубоко под землей в Европе самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц живет в круглом туннеле диаметром около 27 километров.Удаляя весь воздух внутри, протоны, движущиеся почти со скоростью света, циркулируют в противоположных направлениях, достигая наивысших энергий, когда-либо созданных искусственно. В нескольких точных точках два внутренних луча фокусируются настолько плотно, насколько это возможно, и вынуждены пересекаться, где небольшое количество протон-протонных столкновений происходит с каждым проходящим пучком протонов. И все же максимальная энергия, приходящаяся на одну частицу, составляет около 7 ТэВ: менее 0,00001% энергии, которую мы наблюдаем от 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 LHC не может создавать частицы с энергией частицы OMG? Какое ограничение? Почему такая огромная и невероятно мощная машина не может перекачать всего 51 джоуль в одну субатомную частицу?

Если посмотреть на то, что мы делаем на Земле, и на то, что происходит в космосе, тут вообще нет сравнения.

При столкновении двух протонов могут столкнуться не только кварки, из которых они состоят, но и море… [+] кварки, глюоны и другие полевые взаимодействия. Все они могут дать представление о вращении отдельных компонентов и позволить нам создавать потенциально новые частицы, если будут достигнуты достаточно высокие энергии и светимости.

Каким бы сложным и запутанным ни был Большой адронный коллайдер (БАК) на самом деле, принцип, по которому он работает, на удивление прост. Протоны и электрически заряженные частицы в целом могут быть ускорены электрическими и магнитными полями.Если вы приложите электрическое поле в направлении движения протона, это электрическое поле будет оказывать на этот протон положительную силу, заставляя его ускоряться и набирать энергию.

Если бы можно было построить бесконечно длинный ускоритель элементарных частиц, и вам не приходилось бы беспокоиться о каких-либо других силах или движениях, это немедленно дало бы нам идеальный способ создания частиц любых высоких энергий, о которых мы могли мечтать. вверх. Приложите это электрическое поле к вашему протону, которое заставит ваш протон испытать электрическую силу, и ваш протон ускорится.Пока есть это поле, нет предела тому, сколько энергии вы можете накачать в свой протон.

Гипотетический новый ускоритель, либо длинный линейный ускоритель, либо тот, который обитает в большом туннеле под … [+] Землей, может затмить чувствительность к новым частицам, которую могут достичь предыдущие и нынешние коллайдеры. Даже в этом случае нет гарантии, что мы найдем что-то новое, но мы обязательно не найдем ничего нового, если не попробуем. Совершенно линейный коллайдер, построенный на континентальной части США, может иметь длину почти 4500 км, но для того, чтобы приспособиться к кривизне нашей планеты, он должен либо опускаться ниже, либо подниматься над поверхностью Земли на сотни километров.

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 протон «всего лишь» 51 джоуль, для этого потребуется резонатор ускорителя, длина которого поразительна – 60 миллиардов километров: примерно в 400 раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Хотя это приведет вас к энергии около 320 квинтиллионов электрон-вольт (эВ) на частицу, что примерно в 45 миллионов раз больше энергии, которую фактически достигает LHC, создавать однородное электрическое поле, охватывающее такое большое расстояние, крайне непрактично. Даже построение линейного ускорителя частиц на самом большом непрерывном расстоянии в Соединенных Штатах, близком к 4500 км, даст вам всего около 22 ТэВ на частицу: чуть лучше, чем LHC. (И он должен был бы подниматься / опускаться на сотни километров выше / ниже Земли из-за кривизны нашей планеты.)

Это подчеркивает, почему ускорители частиц с самой высокой энергией, те, которые ускоряют протоны, почти никогда не имеют линейной конфигурации, а скорее изогнуты в форме круга.

Масштаб предлагаемого будущего кругового коллайдера (FCC) по сравнению с LHC, который сейчас находится в ЦЕРНе … [+] и Теватроном, ранее работавшим в Фермилабе. Future Circular Collider – это, пожалуй, самое амбициозное предложение коллайдера следующего поколения на сегодняшний день, включающее как лептонный, так и протонный варианты в качестве различных этапов его предлагаемой научной программы. Большие размеры и более сильные магнитные поля – единственные разумные способы «увеличить» энергию.

В то время как электрические поля необходимы для того, чтобы поднять ваши частицы до более высоких энергий и приблизить их на эту крошечную долю процента к скорости света, магнитные поля также могут ускорять заряженные частицы, изгибая их по круговой или спиральной траектории.На практике это то, что делает LHC и другие ускорители такими эффективными: всего с несколькими ускоряющими резонаторами вы можете достичь огромных энергий, многократно используя их для ускорения одних и тех же протонов.

Тогда настройка кажется простой. Начните с некоторого ускорения ваших протонов, прежде чем вводить их в главное кольцо LHC, где они затем встретят:

• прямые части, где электрические поля ускоряют протоны до более высоких энергий,
• изогнутые части, в которых магнитные поля искривляют их, пока не достигают следующей прямой части,

и повторяйте это, пока не добьетесь желаемой энергии.

Внутри LHC, где протоны проходят друг с другом со скоростью 299 792 455 м / с, что всего на 3 м / с меньше скорости … [+] света. Ускорители элементарных частиц, такие как LHC, состоят из секций ускоряющих резонаторов, где электрические поля применяются для ускорения частиц внутри, а также участков изгиба колец, где магнитные поля применяются для направления быстро движущихся частиц в любую из следующих ускоряющих резонаторов. или точка столкновения.

Почему же тогда с помощью этой процедуры нельзя достичь сколь угодно высоких энергий? На самом деле есть две причины: одна, которая останавливает нас на практике, и другая, которая останавливает нас в принципе.

На практике, чем выше энергия вашей частицы, тем сильнее должно быть магнитное поле, чтобы изогнуть ее. Тот же принцип применяется к вождению вашего автомобиля: если вы хотите сделать очень крутой поворот, вам лучше сбавить скорость. Если вы поедете слишком быстро, сила между шинами и самой дорогой будет слишком велика, и ваш автомобиль вылетит 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.

Еще в 1940-х годах такие автомобили, как этот Davis Three-Wheeler, достигли такой устойчивости, что они … [+] могли двигаться по 13-футовому кругу со скоростью 55 миль в час без заноса. Чтобы двигаться быстрее, вам нужно будет либо увеличить трение с дорогой, либо увеличить радиус вашего круга, аналогично ограничениям ускорителя частиц, которые требуют либо большего кольца, либо более сильного поля для достижения более высоких энергий.(Hulton-Deutsch / Hulton-Deutsch Collection / Corbis через Getty Images)

Это означает, что энергия вашей частицы на практике по своей природе ограничена размером построенного вами ускорителя (в частности, радиусом его кривизны) и силой магнитов, изгибающих частицы внутри. Если вы хотите увеличить энергию своей частицы, вы можете либо построить более крупный ускоритель, либо увеличить силу своих магнитов, но и то, и другое связано с большими практическими (и финансовыми) проблемами; новый ускоритель элементарных частиц на границе энергии теперь является вложением один раз на поколение.

Но даже если бы вы могли делать это сколько душе угодно, вы все равно были бы в принципе ограничены другим явлением: синхротронным излучением. Когда вы прикладываете магнитное поле к движущейся заряженной частице, она излучает особый тип излучения, известный как циклотронное (для частиц с низкой энергией) или синхротронное (для частиц с высокой энергией) излучение. Хотя это имеет свое собственное практическое применение, например, в приложениях, впервые разработанных в усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской лаборатории, оно существенно ограничивает скорости частиц, изгибаемых магнитным полем.

Релятивистские электроны и позитроны могут быть ускорены до очень высоких скоростей, но будут испускать . .. [+] синхротронное излучение (синее) при достаточно высоких энергиях, не позволяя им двигаться быстрее. Это синхротронное излучение является релятивистским аналогом излучения, предсказанного Резерфордом много лет назад, и имеет гравитационную аналогию, если вы замените электромагнитные поля и заряды гравитационными.

Ограничения синхротронного излучения заключаются в том, почему для достижения самых высоких энергий мы ускоряем протоны вместо электронов.Вы могли подумать, что электроны лучше подходят для достижения более высоких энергий; в конце концов, они имеют такой же электрический заряд, что и протон, но их масса составляет всего 1/1836 массы, что означает, что одна и та же электрическая сила может ускорить их почти в 2000 раз. 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 мог бы достичь энергии только около 0,1 ТэВ на частицу, что согласуется с ограничениями, с которыми фактически столкнулся предшественник LHC, Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP).

Аэрофотоснимок ЦЕРНа с обрисовкой окружности Большого адронного коллайдера (всего 27 километров) … [+]. В том же туннеле ранее размещался электрон-позитронный коллайдер LEP. Частицы на LEP летели намного быстрее, чем частицы на LHC, но протоны LHC несут гораздо больше энергии, чем электроны или позитроны LEP.

Чтобы выйти за пределы синхротронного излучения, вы должны построить ускоритель частиц большего размера; 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, максимальная энергия, о которой люди мечтают, по-прежнему составляет всего около 100 ТэВ на столкновение: это все еще более чем в миллион раз меньше, чем сама Вселенная может производить.

Та же самая физика, которая фундаментально ограничивает энергии, которые частицы достигают на Земле, все еще существует в космосе, но Вселенная предоставляет нам условия, которых никогда не сможет достичь ни одна земная лаборатория. Самые сильные магнитные поля, создаваемые на Земле, например в Национальной лаборатории сильных магнитных полей, могут приближаться к 100 Тл: чуть более чем в миллион раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Для сравнения: самые сильные нейтронные звезды, известные как магнетары, могут генерировать магнитные поля до 100 миллиардов Тл!

Нейтронная звезда – одно из самых плотных скоплений вещества во Вселенной, сильное магнитное поле которого. .. [+] поле генерирует импульсы, ускоряя материю. Самая быстро вращающаяся нейтронная звезда, которую мы когда-либо открывали, – это пульсар, который обращается 766 раз в секунду. Однако теперь, когда у нас есть карта пульсара от NICER, мы знаем, что эта двухполюсная модель не может быть правильной; магнитное поле пульсара более сложное.

Природные лаборатории, обнаруженные в космосе, ускоряют не только протоны и электроны, но и атомные ядра. Космические лучи наивысшей энергии, которые мы когда-либо измеряли очень точно, – это не просто протоны, а тяжелые ядра, такие как железо, которое более чем в 50 раз массивнее протона.Единственный космический луч с самой высокой энергией из всех, известный в просторечии как частица Oh-My-God, вероятно, был ядром тяжелого железа, ускоренным 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, сжимается в объем размером с большой остров как Мауи. Без тех же энергий, окружающей среды и космических масштабов в нашем распоряжении земные физики просто не могут конкурировать.

Самые высокоэнергетические извержения нейтронных звезд с чрезвычайно сильными магнитными полями, … [+] магнетары, вероятно, ответственны за некоторые из когда-либо наблюдавшихся частиц космических лучей с самой высокой энергией. Нейтронная звезда, подобная этой, может быть вдвое больше массы нашего Солнца, но сжата до объема, сопоставимого с островом Мауи.

Если бы мы могли увеличить наши ускорители частиц в размерах, как если бы стоимость и конструкция не являлись целью, мы могли бы когда-нибудь надеяться соответствовать тому, что предлагает Вселенная. С магнитами, сравнимыми с тем, что у нас есть в LHC сегодня, ускоритель элементарных частиц, который вращался вокруг экватора Земли, мог бы достичь энергии, примерно в 1500 раз превышающей LHC. Тот, который простирается до размеров орбиты Луны, будет достигать энергии почти в 100000 раз больше, чем у LHC.

И если пойти еще дальше, круговой ускоритель размером с орбиту Земли, наконец, будет создавать протоны, энергия которых достигнет энергии частицы О-Боже: 51 джоуль.Если вы полностью масштабируете свой ускоритель частиц до размеров Солнечной системы, вы можете теоретически исследовать теорию струн, инфляцию и буквально воссоздать энергии уровня Большого взрыва с потенциальными последствиями для конца Вселенной.

Если мы действительно хотим достичь наивысших энергий, которые только можно вообразить, с помощью ускорителя элементарных частиц, который мы … [+] конструируем, нам придется начать строить его в масштабах больше, чем вся планета; возможно, переход к весам Солнечной системы – это то, что не следует снимать со стола.

На данный момент, к сожалению, это останется мечтой энтузиастов физики и сумасшедших ученых. На практике ускорители элементарных частиц на Земле, ограниченные размерами, напряженностью магнитного поля и синхротронным излучением, просто не могут конкурировать с астрофизической лабораторией, предоставляемой нашей естественной Вселенной.

Большой адронный коллайдер впервые ускоряет целые атомы

Максимилиан Брис / ЦЕРН © CERN

Большой адронный коллайдер в Швейцарии часто встречается при столкновении частиц со скоростью, близкой к скорости света, но недавно в нем впервые начали сталкиваться частицы нового типа: атомы.Во время пробного запуска 25 июля ученые на LHC ускоряли атомы свинца с помощью одного электрона и поддерживали пучок в течение нескольких часов, создавая возможность для будущих экспериментов с этими типами частиц.

Типичный эксперимент на LHC включает отправку мелких частиц – обычно протонов – вокруг гигантского кольца со скоростью, составляющей приличную долю скорости света. Набрав достаточную скорость, частицы врезаются друг в друга, высвобождая огромное количество энергии и превращаясь в новые, более экзотические частицы.Изучая результаты этого столкновения, ученые могут многое узнать о строительных блоках нашей Вселенной.

Конечно, разные исходные ингредиенты дают разные конечные результаты, поэтому ученые на LHC заинтересованы в том, чтобы послать через свой ускоритель как можно больше разных частиц. Раньше они пропускали через машину целые атомные ядра.

Этот новый эксперимент немного отличается, потому что он показывает один электрон на каждое атомное ядро.Этот электрон усложняет эксперимент, поскольку меняет поведение атомов вокруг магнитов LHC. В частности, существует риск того, что, если атомы потеряют свои электроны где-нибудь внутри гигантского кольца комплекса, это может направить эти атомы к стенкам туннеля.

«Очень легко случайно снять электрон», – говорит инженер БАК Микаэла Шауманн. “Когда это происходит, ядро ​​врезается в стенку лучевой трубы, потому что его заряд больше не синхронизируется с магнитным полем LHC. ”

Однако, благодаря тонкой инженерии, ученые на LHC успешно провели два эксперимента с этими атомами. В первом они поддерживали низкоэнергетический пучок атомов около часа, а затем увеличили энергию до максимума БАК. Они удерживали атомный луч на этой энергии в стабильном состоянии около двух минут, прежде чем автоматические предохранители отключили его. Во второй попытке луч оставался стабильным при максимальной энергии в течение двух часов.

Основным преимуществом ускорения атомов с присоединенными электронами является то, что электроны могут генерировать высокоэнергетические гамма-лучи, которые являются самыми мощными световыми волнами.Имея надежный источник гамма-излучения, ученые могли проводить всевозможные эксперименты, в том числе пытаться производить некоторые из наиболее экзотических типов материи во Вселенной. Они могут даже генерировать темную материю.

Скорее всего, пройдет еще как минимум год, прежде чем LHC начнет проводить реальные эксперименты с использованием этой техники, поэтому нам придется немного подождать, чтобы увидеть, какие новые открытия могут сделать эти ученые.

Источник: CERN

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Большой адронный коллайдер создает материю из света

Ученые в эксперименте на Большом адронном коллайдере видят массивные частицы W, возникающие в результате столкновений с электромагнитными полями. Как такое могло случиться?

Большой адронный коллайдер использует известное уравнение Альберта Эйнштейна E = mc² для преобразования материи в энергию, а затем обратно в различные формы материи.Но в редких случаях он может пропустить первый шаг и столкнуться с чистой энергией – в форме электромагнитных волн.

В прошлом году в эксперименте ATLAS на LHC были обнаружены два фотона, частицы света, которые отрикошетили друг от друга и образовали два новых фотона. В этом году они сделали шаг вперед в этом исследовании и обнаружили, что фотоны сливаются и трансформируются во что-то еще более интересное: W-бозоны, частицы, несущие слабую силу, которая управляет ядерным распадом.

Это исследование не просто иллюстрирует центральную концепцию, управляющую процессами внутри LHC: энергия и материя – две стороны одной медали.Это также подтверждает, что при достаточно высоких энергиях силы, которые кажутся отдельными в нашей повседневной жизни – электромагнетизм и слабое взаимодействие – объединяются.

Кредит: Иллюстрация студии Sandbox, Чикаго

От безмассового к массовому

Если вы попытаетесь воспроизвести этот эксперимент со столкновением фотонов дома, пересекая лучи двух лазерных указателей, вы не сможете создавать новые массивные частицы. Вместо этого вы увидите, как два луча объединяются, образуя еще более яркий луч света.

«Если вы вернетесь назад и посмотрите на уравнения Максвелла для классического электромагнетизма, вы увидите, что две сталкивающиеся волны суммируются в большую волну», – говорит Симона Паган Гризо, исследователь Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США. «Мы видим эти два явления, недавно обнаруженные ATLAS, только когда мы объединили уравнения Максвелла со специальной теорией относительности и квантовой механикой в ​​так называемой теории квантовой электродинамики».

Отображение событий ATLAS 2018 года, соответствующее рождению пары W-бозонов из двух фотонов и последующему распаду W-бозонов на мюон и электрон (видимый в детекторе) и нейтрино (не обнаружено).Кредит: CERN

Внутри ускорительного комплекса ЦЕРН протоны ускоряются со скоростью, близкой к скорости света. Их обычно округлые формы сжимаются в направлении движения, поскольку специальная теория относительности заменяет классические законы движения для процессов, происходящих на LHC. Два поступающих протона видят друг друга как сжатые блины, сопровождаемые одинаково сжатым электромагнитным полем (протоны заряжены, и все заряженные частицы имеют электромагнитное поле). Энергия LHC в сочетании с сокращением длины увеличивает силу электромагнитных полей протонов в 7500 раз.

Когда два протона касаются друг друга, их сжатые электромагнитные поля пересекаются. Эти поля игнорируют классический этикет «усиления», который применяется при низких энергиях, и вместо этого следуют правилам, изложенным в квантовой электродинамике. Благодаря этим новым законам два поля могут слиться и стать буквой «E» в E = mc².

«Если вы прочитаете уравнение E = mc² справа налево, вы увидите, что небольшое количество массы производит огромное количество энергии из-за постоянной c², которая представляет собой квадрат скорости света», – говорит Алессандро Триколи, научный сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории – штаб-квартиры эксперимента ATLAS в США, финансируемого Управлением науки Министерства энергетики США.«Но если вы посмотрите на формулу с другой стороны, вы увидите, что вам нужно начать с огромного количества энергии, чтобы произвести даже крошечное количество массы».

БАК – одно из немногих мест на Земле, где могут производиться и сталкиваться энергетические фотоны, и это единственное место, где ученые наблюдали, как два энергетических фотона сливаются и превращаются в массивные W-бозоны.

Объединение сил

Генерация W-бозонов из фотонов высоких энергий является примером открытия, которое принесло Шелдону Глэшоу, Абдусу Саламу и Стивену Вайнбергу Нобелевскую премию по физике 1979 года: при высоких энергиях электромагнетизм и слабое взаимодействие – одно и то же.

Электричество и магнетизм часто ощущаются как отдельные силы. Обычно не стоит беспокоиться о том, чтобы получить удар током при обращении с магнитом на холодильник. А лампочки, даже если они горят электричеством, не прилипают к дверце холодильника. Так почему же на электрических станциях есть знаки, предупреждающие об их сильных магнитных полях?

«Магнит – одно проявление электромагнетизма, а электричество – другое», – говорит Триколи. «Но это все электромагнитные волны, и мы видим это объединение в наших повседневных технологиях, таких как сотовые телефоны, которые общаются посредством электромагнитных волн.”

При чрезвычайно высоких энергиях электромагнетизм сочетается с еще одной фундаментальной силой: слабой силой. Слабое взаимодействие управляет ядерными реакциями, включая синтез водорода с гелием, который приводит в действие Солнце, и распад радиоактивных атомов.

Так же, как фотоны переносят электромагнитную силу, бозоны W и Z переносят слабую силу. Причина, по которой фотоны могут сталкиваться и производить W-бозоны в LHC, заключается в том, что при самых высоких энергиях эти силы объединяются, образуя электрослабую силу.

«И фотоны, и W-бозоны являются носителями силы, и оба они несут электрослабую силу», – говорит Гризо. «Это явление действительно происходит, потому что природа квантово-механическая».

ускоренных вычислений для ускоренных частиц

Каждое столкновение протонов на Большом адронном коллайдере индивидуально, но только некоторые из них являются особенными. Особые столкновения генерируют частицы в необычной структуре – возможные проявления новой, нарушающей правила физики – или помогают заполнить нашу неполную картину Вселенной.

Найти эти столкновения сложнее, чем пресловутый поиск иголки в стоге сена. Но помощь, которая изменит правила игры, уже не за горами. Ученые Fermilab и другие сотрудники успешно протестировали прототип технологии машинного обучения, который ускоряет обработку в 30–175 раз по сравнению с традиционными методами.

Каждую секунду сталкиваясь с 40 миллионами столкновений, ученые на LHC используют мощные и маневренные компьютеры, чтобы извлекать драгоценные камни – будь то частица Хиггса или намек на темную материю – из огромной статики обычных столкновений.

Просматривая смоделированные данные о столкновении на LHC, технология машинного обучения успешно научилась определять конкретный образец постколлизии – конкретный поток частиц, пролетающих через детектор, – когда он просматривал поразительные 600 изображений в секунду. Традиционные методы обрабатывают менее одного изображения в секунду.

Технология может быть предложена даже как услуга на внешних компьютерах. Использование этой модели разгрузки позволит исследователям быстрее анализировать больше данных и оставить больше вычислительного пространства LHC доступным для другой работы.

Это многообещающий взгляд на то, как службы машинного обучения поддерживают область, в которой и без того огромные объемы данных будут только расти.

Частицы, возникающие в результате столкновений протонов на Большом адронном коллайдере ЦЕРН, проходят через этот многоэтажный многослойный прибор – детектор CMS. В 2026 году LHC будет производить в 20 раз больше данных, чем в настоящее время, а CMS в настоящее время обновляется для чтения и обработки потока данных. Фото: Максимилиан Брис, ЦЕРН

Задача: больше данных, больше вычислительной мощности

Исследователи в настоящее время модернизируют LHC, чтобы разбивать протоны со скоростью, в пять раз превышающей нынешнюю.К 2026 году круговая подземная машина длиной 17 миль в европейской лаборатории CERN будет производить в 20 раз больше данных, чем сейчас.

CMS – один из детекторов частиц на Большом адронном коллайдере, и сотрудники CMS находятся в процессе некоторых собственных обновлений, позволяющих с помощью этого сложного, многоэтажного прибора делать более сложные снимки столкновений частиц LHC. Фермилаб – ведущая лаборатория США по эксперименту CMS.

Если бы ученые LHC захотели сохранить все необработанные данные о столкновениях, которые они собирали за год с LHC высокой яркости, им пришлось бы найти способ хранить около 1 эксабайта (около 1 триллиона персональных внешних жестких дисков) из что только щепотка может открыть новые явления.Компьютеры LHC запрограммированы так, чтобы отбирать эту крошечную долю и за доли секунды принимать решения о том, какие данные достаточно ценны для отправки вниз по потоку для дальнейшего изучения.

В настоящее время вычислительная система LHC регистрирует примерно одно событие на каждые 100 000 частиц. Но существующие протоколы хранения не смогут справиться с будущим потоком данных, который будет накапливаться за десятилетия сбора данных. И снимки с более высоким разрешением, сделанные обновленным детектором CMS, не сделают эту работу проще.Все это приводит к необходимости более чем в 10 раз больших вычислительных ресурсов, чем у LHC сейчас.

Недавнее испытание прототипа показывает, что с развитием машинного обучения и вычислительного оборудования исследователи ожидают, что смогут отсеять данные, поступающие из грядущего LHC с высокой яркостью, когда он появится в сети.

«Здесь есть надежда, что вы сможете делать очень сложные вещи с помощью машинного обучения, а также делать их быстрее», – сказала Нхан Тран, ученый из Fermilab, участвовавший в эксперименте с CMS и один из руководителей недавнего теста.«Это важно, поскольку наши данные будут становиться все более и более сложными с обновленными детекторами и более загруженными средами столкновений».

Физики элементарных частиц изучают возможность использования компьютеров с возможностями машинного обучения для обработки изображений столкновений частиц в CMS, обучая их быстро определять различные модели столкновений. Изображение: Имонн Магуайр / Antarctic Design

Машинное обучение приходит на помощь: разница в выводах

Машинное обучение в физике элементарных частиц не новость. Физики используют машинное обучение на каждом этапе обработки данных в эксперименте с коллайдером.

Но с технологией машинного обучения, которая может обрабатывать данные LHC до 175 раз быстрее, чем традиционные методы, физики элементарных частиц делают революционный шаг в процессе вычисления столкновений.

Такие высокие темпы достигаются благодаря грамотно спроектированному аппаратному обеспечению платформы Microsoft Azure ML, которое ускоряет процесс, называемый логическим выводом.

Чтобы понять логический вывод, рассмотрим алгоритм, обученный распознавать изображение мотоцикла: объект имеет два колеса и две ручки, прикрепленные к большему металлическому корпусу.Алгоритм достаточно умен, чтобы знать, что тачка с аналогичными атрибутами не является мотоциклом. По мере того, как система сканирует новые изображения других двухколесных и двуручных объектов, она предсказывает – или делает вывод, – что это мотоциклы. А по мере исправления ошибок прогнозирования алгоритм становится довольно ловким в их выявлении. Миллиард сканирований спустя, это игра на логический вывод.

Большинство платформ машинного обучения созданы для понимания того, как классифицировать изображения, но не для изображений, связанных с физикой.Физики должны научить их части физики, такой как распознавание следов, созданных бозоном Хиггса, или поиск намеков на темную материю.

Исследователи из Фермилаба, ЦЕРНа, Массачусетского технологического института, Вашингтонского университета и другие сотрудники обучили Azure ML определять изображения топ-кварков – короткоживущих элементарных частиц, которые примерно в 180 раз тяжелее протона – по смоделированным данным CMS. В частности, Azure должен был искать изображения струй топ-кварков, облаков частиц, вытянутых из вакуума одним топ-кварком, отскакивающим от столкновения.

«Мы отправили ему изображения, обучая его на физических данных», – сказал ученый Fermilab Берт Хольцман, руководитель проекта. «И он показал ультрасовременное исполнение. Это было очень быстро. Это означает, что мы можем конвейерно обрабатывать большое количество этих вещей. В общем, эти техники довольно хороши ».

Один из методов ускорения логических выводов – это сочетание традиционных и специализированных процессоров, брак, известный как гетерогенная вычислительная архитектура.

На разных платформах используются разные архитектуры.Традиционные процессоры – это ЦП (центральные процессоры). Наиболее известными специализированными процессорами являются графические процессоры (графические процессоры) и FPGA (программируемые вентильные матрицы). Azure ML сочетает в себе процессоры и FPGA.

«Причина, по которой эти процессы необходимо ускорить, заключается в том, что это большие вычисления. Вы говорите о 25 миллиардах операций, – сказал Тран. «Установка этого на ПЛИС, отображение этого и выполнение этого в разумные сроки – настоящее достижение».

И это тоже начинает предлагаться как услуга.Этот тест был первым случаем, когда кто-либо продемонстрировал, как такого рода гетерогенная архитектура как услуга может быть использована для фундаментальной физики.

Данные экспериментов по физике элементарных частиц хранятся на вычислительных фермах, подобных этой, Центру сетевых вычислений в Фермилабе. Сторонние организации предлагают свои вычислительные фермы в качестве услуги для экспериментов по физике элементарных частиц, освобождая больше места на серверах экспериментов. Фотография: Reidar Hahn

К вашим услугам

В компьютерном мире использование чего-то «в качестве услуги» имеет особое значение.Внешняя организация предоставляет ресурсы – машинное обучение или оборудование – в качестве услуги, а пользователи – ученые – используют эти ресурсы по мере необходимости. Это похоже на то, как ваша компания, занимающаяся потоковым видео, предоставляет часы за просмотром телепередач в качестве услуги. Вам не нужно иметь собственные DVD-диски и DVD-плеер. Вместо этого вы используете их библиотеку и интерфейс.

Данные Большого адронного коллайдера обычно хранятся и обрабатываются на компьютерных серверах ЦЕРН и партнерских организаций, таких как Фермилаб. Поскольку машинное обучение предлагается так же легко, как и любой другой веб-сервис, интенсивные вычисления могут выполняться везде, где предлагается услуга, в том числе за пределами площадки. Это расширяет возможности лабораторий за счет дополнительных вычислительных мощностей и ресурсов, избавляя их от необходимости оснащать собственные серверы.

«Идея ускоренных вычислений зародилась около десятилетий, но традиционная модель заключалась в том, чтобы купить компьютерный кластер с графическими процессорами и установить его локально в лаборатории», – сказал Хольцман.«Идея перенести работу на удаленную ферму со специализированным оборудованием и предоставить машинное обучение как услугу – это сработало, как рекламировалось».

Ферма Azure ML находится в Вирджинии. Компьютерам в Fermilab около Чикаго, штат Иллинойс, требуется всего 100 миллисекунд, чтобы отправить изображение события частицы в облако Azure, обработать его и вернуть. Это путешествие длиной 2500 километров с большим объемом данных в мгновение ока.

«Сантехника, которая идет со всем этим, – еще одно достижение, – сказал Тран.«Самым приятным сюрпризом в этом проекте была концепция абстрагирования этих данных как вещей, которые вы просто отправляете куда-то еще, а они просто возвращаются обратно. Нам не нужно заменять все в нашем собственном вычислительном центре целой кучей нового. Мы сохраняем все это, отправляем сложные вычисления и возвращаем их позже ».

Ученые с нетерпением ждут возможности масштабирования технологии для решения других задач, связанных с большими данными, на LHC. Они также планируют протестировать другие платформы, такие как Amazon AWS, Google Cloud и IBM Cloud, поскольку они исследуют, чего еще можно достичь с помощью машинного обучения, которое быстро эволюционировало за последние несколько лет.

«Самые современные модели 2015 года сегодня являются стандартными», – сказал Тран.

В качестве инструмента машинное обучение продолжает давать физике элементарных частиц новые способы взглянуть на Вселенную. Это тоже впечатляет само по себе.

«Что мы можем взять что-то, что обучено различать изображения животных и людей, произвести небольшие вычисления и показать мне разницу между струей топ-кварка и фоном?» – сказал Хольцман. «Это то, что меня потрясает.”

Эта работа поддержана DOE Office of Science .

Поиск «пропавшей материи», предсказанный теорией Эйнштейна, завершается на крупнейшем в мире разрушителе атомов

Поиск сужается до загадочной формы материи, предсказанной на основе специальной теории относительности Эйнштейна. После более чем десяти лет поисков ученые из крупнейшего в мире коллайдера частиц полагают, что они находятся на грани его обнаружения.

Но исследователи не ищут во взорванных кишках частицы, столкнувшиеся вместе почти со скоростью света.

Вместо этого физики на Большом адронном коллайдере (LHC), 17-мильном (27-километровом) кольце, похороненном под землей недалеко от границы между Францией и Швейцарией, ищут пропавшее вещество, называемое конденсатом цветного стекла, изучая, что происходит. когда частицы не сталкиваются, а вместо этого проносятся мимо друг друга, почти промахиваясь.

Связанные: странные кварки и мюоны, о боже! Рассечение мельчайших частиц природы

В Стандартной модели физики, теории, описывающей зоопарк субатомных частиц, 98 процентов видимой материи во Вселенной удерживается вместе элементарными частицами, называемыми глюонами.Эти метко названные частицы ответственны за силу, которая связывает кварки с образованием протонов и нейтронов. Когда протоны ускоряются почти до скорости света, происходит странное явление: концентрация глюонов внутри них стремительно растет.

«В этих случаях глюоны расщепляются на пары глюонов с более низкими энергиями, и такие глюоны впоследствии расщепляются и т. Д.», – сказал в своем заявлении доцент физики и астрономии Канзасского университета Дэниел Тапиа Такаки. .«В какой-то момент расщепление глюонов внутри протона достигает предела, при котором размножение глюонов перестает увеличиваться. Такое состояние известно как конденсат цветного стекла, гипотетическая фаза вещества, которая, как считается, существует в очень высоких концентрациях. энергии протонов, а также в тяжелых ядрах ».

Согласно Брукхейвенской национальной лаборатории, конденсат может объяснить многие нерешенные загадки физики, например, как частицы образуются при столкновениях высоких энергий или как материя распределяется внутри частиц.Однако подтверждение его существования ускользало от ученых на протяжении десятилетий. Но в 2000 году физики из Брукхейвенского коллайдера релятивистских тяжелых ионов обнаружили первые признаки того, что конденсат цветного стекла может существовать.

Связанные

Когда в лаборатории соединили атомы золота, лишив их электронов, они обнаружили странный сигнал в частицах, исходящих от столкновений, намекая на то, что протоны атомов были забиты глюонами и начали формировать цветное стекло. конденсат. Дальнейшие эксперименты со сталкивающимися тяжелыми ионами на LHC дали аналогичные результаты. Однако сталкивающиеся протоны вместе на релятивистских скоростях могут дать лишь мимолетное представление о внутренностях протонов до того, как субатомные частицы яростно взорвутся. Исследование протонов изнутри требует более щадящего подхода.

Когда заряженные частицы, например протоны, ускоряются до высоких скоростей, они создают сильные электромагнитные поля и выделяют энергию в виде фотонов или частиц света. (Благодаря двойственной природе света, это также волна.) Эти утечки энергии когда-то считались нежелательным побочным эффектом ускорителей частиц, но физики узнали новые способы использования этих высокоэнергетических фотонов в своих интересах.

Если протоны обнаруживают, что проносятся мимо друг друга в ускорителе, поток излучаемых ими фотонов может вызвать столкновения протонов с фотонами. Эти так называемые ультрапериферийные столкновения являются ключом к пониманию внутренней работы протонов высоких энергий.

«Когда высокоэнергетическая световая волна поражает протон, она производит частицы – все виды частиц – не разрушая протон», – говорится в заявлении Тапиа Такаки. «Эти частицы регистрируются нашим детектором и позволяют нам восстановить беспрецедентно качественное изображение того, что находится внутри.«

Тапиа Такаки и международное сообщество ученых теперь используют этот метод для отслеживания неуловимого конденсата цветного стекла. Исследователи опубликовали первые результаты своего исследования в августовском выпуске журнала The European Physical Journal C. команда смогла косвенно измерить плотность глюонов на четырех различных уровнях энергии. На самом высоком уровне они обнаружили доказательства того, что конденсат цветного стекла только начинал формироваться.

Результаты экспериментов «… очень захватывающие, дающие новую информацию о динамика глюонов в протоне, [b] но есть много теоретических вопросов, на которые нет ответа “, – сказал Виктор Гонсалвес, профессор физики в Федеральном университете Пелотаса в Бразилии и соавтор исследования. утверждение.

На данный момент существование конденсата цветного стекла остается неуловимой загадкой.

Первоначально опубликовано на Live Science .

Подпишитесь на информационный бюллетень MACH и следите за новостями NBC News MACH в Twitter, Facebook и Instagram.

Энергия – Проблемы – Физический гипертекст

LHC – это большой адронный коллайдер. Большой из-за своего размера (примерно 27 км в окружности), Адрон , потому что он ускоряет протоны или ионы, которые являются адронами, и Коллайдер , потому что эти частицы образуют два луча, движущихся в противоположных направлениях, которые сталкиваются в четырех точках, где два кольца машины пересекаются.

Ускорительный комплекс в ЦЕРНе представляет собой последовательность машин со все более высокой энергией. Каждая машина вводит луч в следующую, которая берет на себя задачу довести луч до еще более высокой энергии и так далее. В LHC – последнем звене этой цепочки – каждый пучок частиц ускоряется до рекордной энергии 7 ТэВ. Кроме того, большинство других ускорителей в цепи имеют свои собственные экспериментальные залы, где пучки используются для экспериментов при более низких энергиях.

Ни одна частица не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме; однако нет предела энергии, которую может получить частица.В ускорителях высоких энергий частицы обычно движутся очень близко к скорости света. В этих условиях по мере увеличения энергии увеличение скорости минимально. Например, частицы в LHC движутся со скоростью в 0,999997828 раз быстрее скорости света при инжекции (энергия = 450 ГэВ) и в 0,999999991 раз быстрее скорости света при максимальной энергии (энергия = 7000 ГэВ). Поэтому физики, работающие с частицами, обычно думают не о скорости, а об энергии частицы.

Полная энергия в каждом пучке при максимальной энергии составляет около 350 МДж, что примерно равно энергии 400-тонного поезда, такого как французский TGV, движущийся со скоростью 150 км / ч.Этой энергии достаточно, чтобы расплавить около 500 кг меди. Общая энергия, запасенная в магнитах LHC, примерно в 30 раз выше (11 ГДж).

ЦЕРН, 2008

Проверьте следующие утверждения, сделанные в этом FAQ.

Может ли Большой адронный коллайдер поглотить Землю?

На глубине 570 футов под Альпами на швейцарско-французской границе находится крупнейший в мире физический эксперимент – Большой адронный коллайдер (LHC).LHC был построен Европейской организацией ядерных исследований (CERN) в Женеве, Швейцария, в сотрудничестве с сотнями университетов и лабораторий по всему миру за 8,8 млрд долларов. .

Критики утверждают, что потрясающая мощность LHC – он ускоряет частицы до 99.99 процентов скорости света и создание температуры в триллионы градусов – потенциально могут создать черную дыру, которая может поглотить Землю. Эти опасения привели к иску, поданному в Европейскую конвенцию по правам человека с ходатайствами против 20 стран, включая США, которые финансировали проект.

Стоит ли волноваться?

«Абсолютно нет», – таков вердикт Стефан Кутю, профессор физики в Пенсильвании. «Мир постоянно бомбардируется энергичными космическими лучами из глубин космоса, некоторые из которых вызывают столкновения частиц в тысячи раз более мощные, чем те, которые будут производиться LHC», – пояснил Коуту.«Если бы эти столкновения могли создать черные дыры, это уже произошло бы».

Опасения по поводу черных дыр усиливаются из-за шумихи в СМИ о суперколлайдере, заголовки которого называют его «устройством судного дня» и «машиной большого взрыва». Что на самом деле представляет собой БАК и как столкновение частиц может рассказать нам что-то новое о Вселенной?

Самый мощный из когда-либо построенных ускорителей элементарных частиц, «LHC состоит из подземного туннеля, имеющего длину окружности более 17 миль», – описывает Куту.Противоположные пучки протонов будут проходить через туннель, заставляя их сталкиваться и разбиваться на более мелкие фрагменты; детекторы частиц, расположенные вдоль туннеля, будут анализировать последствия столкновений.

Отметил Куту: «Конечный продукт столкновений частиц может дать новое понимание того, как частицы взаимодействуют – в конечном итоге, это может объяснить результат процессов частиц вскоре после Большого взрыва, из которого произошла Вселенная».

Другая возможность состоит в том, что «мы могли бы наблюдать бозон Хиггса как побочный продукт столкновений частиц», – предположил Куту.Таинственный бозон Хиггса – это гипотетическая частица, существование которой предсказано Стандартной моделью физики элементарных частиц, но никогда не было выделено экспериментально. Бозон Хиггса, который задумывался как придание массы другим частицам, может быть ключом к пониманию того, почему материя ведет себя именно так, а это означает, что проверка его существования станет прорывом в физике элементарных частиц.

«В дополнение к этим экспериментальным данным, LHC может привести к практическим улучшениям в нашей повседневной жизни», – добавил Куту, указав, что Всемирная паутина была разработана той же организацией, которая построила LHC с целью обмена большими объемами научных данных. Информация.«Необходимо разработать новые вычислительные методы для обработки и анализа этих чрезвычайно больших наборов данных», – сказал Коуту. «Эти достижения могут распространяться и на приложения за пределами лаборатории», – заключил он.

Но физикам, жаждущим немного, чтобы заполучить эти огромные объемы новых данных, придется подождать еще немного. Запуск БАК должен был начаться в сентябре 2008 года, но он был включен всего на девять дней, прежде чем из-за технических проблем работа остановилась и начало регулярных операций было перенесено на весну 2009 года.Причиной задержки были неисправные сверхпроводящие магниты (следствие дефектной пайки на соединении), из которых в туннели ускорителя просочилось шесть тонн сверххолодного жидкого гелия. «Ускоритель и связанные с ним детекторы частиц выходят за рамки современного технологического уровня, и абсолютная сложность усилий приводит к неизбежным задержкам», – прокомментировал Кутю.

У LHC есть несколько высоких целей – ответить на вопросы о нашей вселенной, над которыми люди ломали голову на протяжении веков, – а сам масштаб и масштаб проекта захватили воображение людей во всем мире.Как заключил Куту: «Трудно представить что-либо более фундаментальное в качестве примера человеческого стремления к чистому знанию».

Источник: Солмаз Баразеш, Исследование штата Пенсильвания.

Ссылка : Пробный вопрос: мог ли Большой адронный коллайдер поглотить Землю? (2009, 21 января) получено 25 декабря 2021 г.