его новое открытие может изменить физику
Группа физиков, работающих на Большом адронном коллайдере, открыла новую частицу. Она считается экзотической и усложняет существующую модель мира. Сам ускоритель не раз становился объектом критики и приносил значимые открытия.
Ученые на Большом адронном коллайдере открыли новый класс тетракварков, сообщил ТАСС. Исследователи из России, работавшие в коллаборации с детектором LHCb, рассказали об обнаружении экзотического очарованного тетракварка Tcc+. Такое открытие говорит о наличии нового класса сверхтяжелых частиц.
Особенность этой частицы заключается в том, что она содержит в себе сразу два очарованных кварка и ни одного очарованного антикварка. Тетракварк поставил рекорд и по продолжительности жизни — он живет в 10–500 раз дольше частиц с похожей массой, написал сайт Института ядерной физики СО РАН. Частица также отличается своими большими размерами и низкой плотностью.
Сами кварки представляют собой фундаментальные частицы, которые нельзя наблюдать в свободном состоянии. Они входят в состав протонов и нейтронов, сообщило агентство «Интерфакс». А тетракварк — это экзотическая элементарная частица, или же адрон, в составе которой есть два кварка и антикварка. Экзотической она стала из-за того, что ранее считалось, что адроны могут быть мезонами, то есть либо состоять из пары «кварк — антикварк», либо иметь в составе три кварка. Примеры таких частиц — знакомые всем школьникам протоны и нейтроны.
Открытый тетракварк также обладает очарованием, написал сайт Lenta.ru. Под этим ученые понимают квантовое число, которое характеризует тип кварка. Всего исследователи знают шесть разных видов кварков. В ранее найденных тетракварках очарование было скрытым, это значит, что они состояли из очарованного кварка и очарованного антикварка.
Ученые предположили, что тетракварк может быть своеобразной кварковой молекулой, состоящей из пары более легких мезонов, или же аналогом атома, ядро которого состоит из тяжелых очарованных кварков.
Значение открытия
Открытие показывает, что устройство мира сложнее, чем кажется. Российский ученый в области ядерной физики, физики элементарных частиц и космических лучей Олег Далькаров объяснил «360», что обнаруженный учеными тетракварк говорит о том, что мир элементарных частиц достаточно сложен.
Открыт богатый спектр частиц, которые требуют понимания. Это одна из тех, которые действительно любопытны с точки зрения понимания природы этих частиц
Олег Далькаров.
Он напомнил, что существуют элементарные частицы, состоящие из пары кварков и антикварков, а состоящие из нескольких кварков частицы — это сложные молекулярноподобные образования.
Исследователь также отметил, что, по всей видимости, существует более простой механизм для образования таких сложных систем. По мнению Далькарова, в будущем возможно открытие многокварковых ядер.
Миссия коллайдера
Большой адронный коллайдер — это ускоритель, который запустили в 2008 году на территории Франции и Швейцарии. Его миссия заключалась в разгоне элементарных частиц, а именно протонов, сообщило РИА «Новости».
После разгона частицы сталкиваются, а ученые наблюдают те процессы, которые нельзя наблюдать в обычных условиях. В итоге исследователям удается понять, как устроена материя и как частицы взаимодействуют.
Его запуск сопровождался критикой со стороны групп ученых. Они утверждали, что коллайдер может вызвать появление черных дыр и опасных форм материи. Однако все подобные сообщения опровергали. Несколько раз в коллайдере происходили аварии и он приостанавливал свою работу.
В 2012 году с помощью БАК подтвердили существование бозона Хиггса — «частицы бога», которая играет не последнюю роль в картине устройства мира. Он отвечает за наличие массы у частиц.
Адронный коллайдер для чего нужен? Для чего нужен большой адронный коллайдер
Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.
Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.
Амбициозный проект человечества
Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.
Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.
Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения подземные коммуникации прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера.
Зачем нужен большой адронный коллайдер
Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.
Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.
Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и методы познания звёздного пространства.
Бозон Хиггса
В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.
Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.
А открывшиеся возможности человека, управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.
Как он работает
Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной скорости света в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.
Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.
На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.
Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная криогенная камера для достижения эффекта сверхпроводимости поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.
Цель оправдывает средства
Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.
Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились боевые колесницы. Освоило человечество металлургию – здравствуйте, пушки и ружья!
Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.
Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос “зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас” на самом деле – не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.
Вопросы, на которые не отвечают
Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает…
Опасения научных коллег
Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.
Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков – всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?
Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут цепную ядерную реакцию, способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере…
Информационная диктатура
Настораживает, что голоса действительно учёных и разбирающихся в ядерной физике людей попросту изолируют от общественности. Средства массовой информации проходят мимо, не пытаясь даже освещать вопрос с этой точки зрения.
Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.
Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность – делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.
«Чтобы построить коллайдер, нужны деньги, высокие цели и мозги»: о коллайдере рассказал сотрудник ИЯФ СО РАН Вячеслав Каминский
Чтобы построить коллайдер, нужны деньги, высокие цели и мозги. Новосибирск в лидерах? Физик – специалист по ускорителям из Академгородка Вячеслав Каминский рассказывает, как становятся учеными, как работает наука и люди в ней, и как он сам решает научные задачи на коллайдере.
– Вячеслав, где вы учились, чтобы стать физиком-ядерщиком?
Иногда бывает необходимость спаять какую-нибудь штуковину. Например, для одного эксперимента нам нужен был электронный прибор, и я его спроектировал с нуля.
– Интригует выражение “спаять штуковину” применительно к такой сложной установке, как коллайдер. Расскажите об этом приборе и об этом эксперименте?
– Коллайдер – это огромная «штука», очень сложная, которая состоит из огромного количества частей. Физически это выглядит так: есть установка (несколько комнат и залов) и ряд приборов, одни из них находится внутри коллайдера и являются его неотъемлемой частью. Другие — приобретаются или изготавливаются отдельно от основной установки. Они не остановят работу коллайдера, но какие-то эксперименты провести не получится. Например, мощный инфракрасный лазер, который мы использовали для измерения энергии пучка коллайдера. Мы логику его работы привязываем, конечно, к коллайдеру, но физически его можно отделить, и коллайдер не перестанет от этого работать. Но кое-какие возможности потеряет.
Если вкратце, наша рабочая группа занимается тем, что стреляет лазерами в электронный или в позитронный пучок коллайдера.
Когда лазерное излучение попадает в пучок частиц, то часть его отражается по направлению движения частиц и приобретает в результате огромную энергию: в миллионы раз больше, чем было. Так что, например, видимое излучение превращается в жёсткое гамма-излучение. Это явление называется обратным комптоновским рассеянием (ОКР). А дальше полученное излучение можно использовать для разных научных задач.
Среди прочих экспериментов, у нас есть такой, который называется “Лазерный поляриметр”.
Берется зеленый лазер, он импульсный, то есть он не непрерывно светит, а импульсами, и импульсы очень короткие — примерно 10 наносекунд. Лазерный импульс движется, естественно, со скоростью света и длина у него – пара метров. Все это происходит с частотой, пусть 1000 – 4000 импульсов в секунду. Это не очень много. Лазерный луч летит строго навстречу электронному пучку через оптическую систему. Зачем оптическая система? Чтобы собрать лазерный пучок в «кучку», чтобы он был тонкий, мощный, чтобы там была большая плотность энергии. Есть несколько зеркал, в том числе для того, чтобы немного подстроить координату встречи – влево-вправо, вверх-вниз.
Задача – сделать так, чтобы лазерный импульс оказался в том же месте, где находится электронный пучок, в то же время.
Пучок электронов тоньше человеческого волоса в поперечном сечении – 100 мкм. Лазерный пучок – 500 мкм. А расстояние от лазера до того места, где лазерный луч должен встретиться с пучком электронов – где-то 50 метров. Задача получается сложная, как у снайпера. Но её необходимо выполнить, чтобы получить рассеянные назад комптоновские фотоны и измерить их координату. После ещё кое-каких не менее сложных действий это всё позволяет точно измерить энергию пучка коллайдера. Предельная точность – лучше, чем одна тысячная доля процента, но она совершенно необходима, чтобы измерения параметров получаемых на коллайдере частиц тоже были точными.
Я работаю в группе с этим экспериментом пятый год. Почему так долго? Возникают препятствия, в основном, технические проблемы.
Мы начинали с одного достаточно мощного лазера, который, тем не менее, к конечной цели нас привести не смог. С его помощью мы проверили свою гипотезу и убедились, что надо продолжать.
Максимально подходящий для этих целей лазер, который нам на тот момент предложил производитель, мог дать нужный результат только при определенных условиях – нужно было сформировать очень длинный сигнал запуска.
Импульс лазерного излучения включается электрическим импульсом длительностью 215 микросекунд (микросекунда – это 10 в минус шестой степени секунд). Момент окончания импульса должен быть фиксированным с точностью лучше 5 наносекунд (наносекунда – это уже 10 в минус девятой степени секунд). Пять порядков! Это как построить 15-этажный дом с точностью один миллиметр.
Прибор, который мог бы сформировать такой импульс, очень нетривиальный. В нашем распоряжении такого прибора не было. Решено было спроектировать его самим на отдельных микросхемах.
– Вы, Вячеслав, универсал – и над научными задачами работаете, и коллайдер починить можете?
– Чинить сложные приборы самостоятельно – это, можно сказать, наша национальная черта. Порой, возникает такая необходимость. Этот прибор нужен был мне для решения научной задачи, поэтому я его спроектировал.
– Тут две основных причины, и они идут бок о бок. Во-первых, не каждая страна может себе позволить – это очень дорого, а во-вторых, нужна научная школа.
К тому же, строить коллайдер в каждой стране нет необходимости, ведь результаты исследований находятся в открытом доступе и любой физик-теоретик, из любой точки мира может воспользоваться этой информацией, если, конечно, она не является секретной. Либо влиться в какой-нибудь коллектив почти любого коллайдера и обрабатывать результаты у себя на родине. Наука в большой степени интернациональна.
– Вы говорите о важности научной школы. Как ее сохранить в России?
– Само наличие учёных с конкретной специальностью в стране – это следствие развития науки в этой стране. И только когда будет какое-то критическое количество учёных достаточного качества, и эти высококвалифицированные кадры воспроизводятся на протяжении поколений – только тогда можно сказать, что есть научная школа. И только тогда в благоприятных экономических, социальных, политических и прочих условиях учёные могут сделать коллайдер или ещё какую-нибудь сложную научную установку (современный телескоп или исследовательский ядерный реактор, например).
С другой стороны, национальные научные школы наиболее успешно развиваются только со своими научными установками.
В Новосибирске коллайдер появился в благоприятное время. Благодаря этому у нас появилась очень сильная школа физиков-специалистов по ускорителям и детекторам. И она будет продолжать развиваться, если будут приходить молодые ученые.
Читайте в ближайшее время интервью с Вячеславом Каминским о физике в повседневной жизни, а также о том, какие популярные произведения искажают законы физики, а какие дают достоверное представление о мире.
Справка:
Ускоритель заряженных частиц – сложный прибор, который позволяет исследовать самые маленькие объекты – элементарные частицы.
Это нужно, чтобы узнать, из чего состоит и как работает наша материя на самых маленьких расстояниях и применить эти знания для понимания происходящих в природе процессов и, возможно, применения этих знаний в науке, в производстве, в быту.
Коллайдер – это специальный ускоритель заряженных частиц, который реализует метод встречных пучков. Физики придают элементарным частицам (например, электронам и позитронам) необходимую для эксперимента кинетическую энергию. Пучки частиц движутся навстречу друг другу, сталкиваются между собой, происходят реакции, продукты которых фиксируют детекторы. Физики эти данные расшифровывают, исследуют закономерности, и в дальнейшем это используется для того, чтобы лучше понять, как живут (и умирают) элементарные частицы.
Коллайдер – сложная установка, которая состоит из нескольких систем:
а) Магнитная система заставляет частицы двигаться по заданной траектории.
б) Ускоряющая система нужна для придания частицам энергии, необходимой для проведения эксперимента.
в) Автоматизированная система управления, которая с помощью сложной электроники, в том числе, компьютеров, контролирует процесс.
г) Вакуумная система – для того, чтобы частицы не теряли энергию на молекулах воздуха.
Есть и другие системы, обеспечивающие процесс, в том числе система охлаждения, система безопасности, система диагностики и т.д.
В мире семь коллайдеров. Один, ионный, – в США, еще один — протон-протонный, Большой адронный коллайдер, находится на территории двух государств – Швейцарии и Франции.
В зале коллайдера ВЭПП-2000
Ольга Щенятская
«Для ускорительной физики обязательно нужна школа»
— Физики работают в основном со Стандартной моделью (СМ), которая описывает строение материи в нашей Вселенной, хотя и понимают, что она не полная. Например, LHC (Большой адронный коллайдер — прим. Indicator.Ru)_ был построен, чтобы выйти за рамки этой модели, увидеть явления, которые в нее не вписываются, и, соответственно, расширить ее, сделать более красивой, более всеобъемлющей. СМ описывает не все явления, но тем не менее все, что мы сейчас можем получить на экспериментальных установках, она предсказывает. На LHC ожидали увидеть что-то новое, но ожидания не оправдались. Понятно, что следующий шаг, если не получилось так сразу, — делать прецизионные эксперименты, искать редкие процессы. Но дело не только в точности: часто большую роль играет не только точность, но еще и интенсивность. Для физиков, конечно, чем больше интенсивность — тем лучше, однако предел упирается в технологии, существующие на данный момент.
— Если совсем упрощенно, верно ли будет сказать, что чем больше светимость, тем больше данных и тем больше точность измерений?
— В принципе, да, но тут есть нюансы. Например, чтобы получить процентную точность для полного сечения рождения резонанса J-ψ, высокая светимость не нужна, потому что он рождается достаточно часто. Есть еще эксперименты по поиску редких процессов: в них никакой точности не надо — если увидели, условно, пять событий, уже хорошо. Для таких процессов, конечно, нужна высокая интенсивность, и коллайдеры, как правило, ориентируются именно на них. В то же время для получения высокой точности нужен особый подход. Такой подход был, например, реализован в нашем институте на коллайдере ВЭПП-4, где проводятся прецизионные измерения параметров ψ-мезонов. В этих измерениях основную роль играет точность определения энергии, понимание работы детектора и устройства установки, но никак не светимость.
— А зачем вообще нужна такая сверхвысокая точность измерений? Почему все к этому стремятся?
— Возьмем для примера аномальный магнитный момент мюона, который в основном определяется электромагнитным взаимодействием и частично — сильным, и вклад каждого взаимодействия можно посчитать. С помощью известной физики они рассчитываются до уровня 10-6. На уровне выше свой вклад уже может дать что-то новое, пока нам не известное. Грубо говоря, повышение точности — это повышение чувствительности к Новой физике. Это как повышение энергии на больших коллайдерах, которое позволяет рождать частицы со все большей и большей массой. Повышая точность, мы увеличиваем чувствительность к рождению виртуальных частиц все больших масс. Как поиск новых частиц на LHC, так и сверхточные измерения необходимы для понимания вкладов новых неизвестных взаимодействий.
— В Новосибирске активно разрабатывается проект нового электрон-позитронного коллайдера — Cупер С-тау фабрика. На установке ВЭПП-2000 два детектора, на LHC еще больше, а на будущей фабрике планируется только один, универсальный. Почему так? Если будет только один детектор, не потеряет ли коллайдер в эффективности?
— На каждой из B-фабрик, которые работали в Японии и в США, было по одному детектору. На итальянской φ-фабрике — тоже. Вообще, для электрон-позитронных машин стандарт — это один детектор. Но два детектора хороши тем, что это две разные команды: они по-разному анализируют данные и друг друга перепроверяют. На LHC два универсальных и, по большому счету, одинаковых детектора (ATLAS и CMS) работают как раз по такому принципу. В то же время на LHC есть еще, например, LHCb и ALICE — это уже специализированные детекторы, каждый из которых заточен под определенные задачи.
мифы, факты и научные открытия
Рассказываем простыми словами, кто и зачем построил Большой адронный коллайдер и какие открытия он помог совершить.
Большой и адронный
Слово «коллайдер» образовано от английского collider, что значит «сталкиватель».
Большим он называется из-за своего размера: длина подземного кольцевого тоннеля немногим меньше 26,7 км. Он проходит по территории Швейцарии и Франции. Раньше в этом же сооружении располагался предыдущий проект Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) — Большой электрон-позитронный коллайдер.
Адронным он называется, так как работает с адронами: разгоняет, ускоряет и сталкивает. Это составные частицы, подверженные сильному ядерному взаимодействию. Адроны состоят из кварков и делятся на барионы и мезоны.
Барионы — это протоны и нейтроны, из которых состоит ядро атома. Почти все известное нам вещество состоит из барионов.
Из-за длинного названия коллайдера часто можно встретить аббревиатуру БАК (англ. LHC).
Сейчас БАК — самый большой и мощный ускоритель частиц на планете. Он рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ. Для сравнения: следующий по мощности коллайдер — Тэватрон — может разгонять частицы до энергии только в 1 ТэВ.
История создания
Идея строительства такого мощного ускорителя возникла в 1984 году, но сам проект был принят только в 1995-м. Его разработчик — все тот же ЦЕРН. Планы строительства и запуска коллайдера привлекли большое внимание общественности — ученых и простых людей. Вокруг проекта ходило много слухов, основанных на мифах и страхах.
Самой популярной «страшилкой» того времени была черная дыра, которая должна была образоваться во время запуска, а затем разрастись и поглотить БАК, Швейцарию и всю остальную планету. К счастью, этого не случилось.
В заявлении группы ученых, пытавшихся остановить строительство, говорилось, что запуск коллайдера приведет к появлению сгустков антиматерии, которые будут аннигилировать с материей. Затем должна была начаться цепная реакция, которая привела бы к уничтожению Вселенной. Опасения аннигиляционной катастрофы тоже не подтвердились.
Несмотря на препятствия и страхи обывателей, БАК был официально запущен 10 сентября 2008 года.
Источник: gordonua.com Зачем ученым нужен БАК
Стандартная модель (СМ) описывает только 3 из 4 фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие в СМ не входит, а описывается терминами общей теории относительности, разработанной Эйнштейном. Объединить все 4 взаимодействия в рамках одной теории ученые пытаются, используя разные подходы: теорию струн, теорию супергравитации, петлевую квантовую гравитацию и др.
Эксперименты на базе БАК должны приблизить ученых к «новой физике», которая сможет объяснить действительное устройство Вселенной и объединить все 4 фундаментальных взаимодействия.
Ускоритель разгоняет протоны до скоростей, близких к скорости света. Удерживают пучки летящих протонов сверхпроводящие магниты, а фиксируют результаты столкновений частиц — детекторы.
Научные открытия
Самое знаменитое и важное было сделано в 2012 году — открытие неуловимого бозона Хиггса, последнего элемента СМ. В 2013 году Питер Хиггс, который предсказал существование этой частицы за 40 лет до ее фактического открытия, получил Нобелевскую премию по физике.
Источник: osimira.comКроме того, были обнаружены 5 новых элементарных частиц, пентакварков. Ранее СМ не только не могла описать их параметры, но и предположить сам факт существования.
Другие результаты работы — подтверждение существования топ-кварка и частицы X(4140), которые наблюдались на Тэватроне, еще нескольких ранее предсказанных частиц. Было показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, исследованы события рождения адронных струй и т.п.
Исследования такого уровня и даже понимание их результатов требуют большой подготовки. За помощью и поддержкой в изучении физики можно и нужно обращаться к нашим авторам — в ФениксХелп.
Коллайдер для чего он нужен. Зачем нужен большой адронный коллайдер
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
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
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.
Принцип работы Большого адронного коллайдера
Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использовались ранее в других ускорителях ЦЕРН.
Большой адронный коллайдер – ускоритель протонов, построенный на территории Швейцарии и Франции, не имеет аналогов в мире. Эта кольцевая конструкция протяженностью 27 км сооружена на 100-метровой глубине.
В ней с помощью 120 мощных электромагнитов при температуре, близкой к абсолютному нулю – минус 271,3 градуса по Цельсию, предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9 процентов) встречные пучки протонов. Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит протонам сталкиваться. Направлять частицы будут несколько тысяч сверхпроводящих магнитов. Когда энергии будет достаточно, частицы столкнутся, тем самым учёные создадут модель Большого взрыва. Тысячи датчиков будут фиксировать моменты столкновения. Последствия столкновения протонов и станет главным предметом изучения мира. [ http://dipland.ru /Кибернетика/Большой_андронный_коллайдер_92988]
Технические характеристики
В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тера электронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов . На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон , который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США ). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC , работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).
Детекторы
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf – вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.
Детектор CMS
Детекторы ATLAS и CMS – детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи , ALICE – для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b -кварков , что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией , TOTEM – предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf – для исследования космических лучей , моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц .
С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL , предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.
Потребление энергии
Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 М Вт . Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера – 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты – около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева . Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы .[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]
Возможно, через какие-то несколько лет интернет уступит место новой, более глубокой интеграции удаленных компьютеров, позволяющей не только удаленно передавать информацию, локализованную в разных концах света, но и автоматически использовать удаленные вычислительные ресурсы. В связи с запуском Большого адронного коллайдера CERN уже несколько лет работает над созданием такой сети.
То, что интернет (или то, что обозначается термином web) был изобретен в Европейской организации ядерных исследований (CERN), давно уже стало хрестоматийным фактом. Вокруг таблички «В этих коридорах была создана всемирная сеть» в одном из обычных коридоров обычного здания CERN во время дня открытых дверей всегда толпятся зеваки. Сейчас интернет используют для своих практических нужд люди по всему миру, а изначально он был создан для того, чтобы ученые, работающие на одном проекте, но находящиеся в разных концах планеты, могли общаться между собой, делиться данными, публиковать информацию, к которой можно было бы получить доступ удаленно.
Разрабатываемая в CERN система GRID (по-английски grid – решётка, сеть ) – это еще один шаг вперед, новая ступень интеграции пользователей компьютеров.
Он дает не только возможность публиковать данные, которые находятся где-то в другой точке планеты, но и использовать удаленные машинные ресурсы, не сходя со своего места.
Конечно, обычные компьютеры не играют особой роли в обеспечении вычислительных мощностей, поэтому первый этап интеграции – это соединение мировых суперкомпьютерных центров.
Создание этой системы спровоцировал Большой адронный коллайдер. Хотя уже сейчас GRID используется для массы других задач, без коллайдера его бы не было, и наоборот, без GRID обработка результатов коллайдера невозможна.
Карта серверов GRID //Люди, которые работают в коллаборациях БАК, находятся в разных концах планеты. Известно, что над этим прибором работают не только европейцы, а и все 20 стран – официальных участниц CERN, всего же порядка 35 стран. Теоретически для обеспечения работы БАК существовала альтернатива GRID – расширение собственных вычислительных ресурсов компьютерного центра CERN. Но тех ресурсов, что были на момент постановки задачи, было совершенно недостаточно для моделирования работы ускорителя, хранения информации его экспериментов и ее научной обработки. Поэтому компьютерный центр нужно было бы очень значительно перестраивать и модернизировать, закупать больше компьютеров и средств для хранения данных. Но это бы означало, что все финансирование будет сосредоточено в CERN. Это было не очень приемлемо для стран, находящихся далеко от CERN. Конечно, они не были заинтересованы в спонсировании ресурсов, которыми очень сложно будет воспользоваться и скорее склонны были наращивать свой вычислительный, машинный потенциал. Поэтому родилась идея использовать ресурсы там, где они находятся.
Не пытаться все сосредоточить в одном месте, а объединить то, что уже есть в разных уголках планеты.
Большой адронный коллайдер (Large Hardon Collider, LHC) — это типичный (хотя и сверхмощный) ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. БАК — это микроскоп, с помощью которого физики будут разгадывать, из чего и как сделана материя, получая сведения об её устройстве на новом, еще более микроскопическом уровне.
Многие ждали с нетерпением, а что же будет после его запуска, но нечего в принципе и не произошло — наш мир сильно скучен, чтобы случилось что-то действительно интересное и грандиозное. Вот она цивилизация и её венец творения человек, как раз получилась некая коалиция цивилизации и людей, сплотившись вместе уже на протяжении века, в геометрической прогрессии загаживаем землю, и бесчинно разрушаем всё то, то накапливалось миллионы лет. Об этом мы поговорим в другом сообщении, и так – вот он АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР .
Вопреки многочисленным и разносторонним ожиданиям, народов и СМИ всё прошло тихо и мирно. О, как же было всё раздуто, например газеты твердили от номера к номеру: «БАК = конец света!», «Путь к катастрофе или открытиям?», «Аннигиляционная Катастрофа», чуть ли не конец света пророчили и гигантскую черную дыру, в которую засосет всю землю. Видимо эти теории выдвигали завистливые физики, у которых в школе не получилось получить аттестат об окончании с цифрой 5, по этому предмету.
Вот, например был такой философ Демокрит, который в своей древней Греции (кстати, современные школьники пишут это одним словом, т.к. воспринимают это несуществующей странной , наподобие СССР, Чехословакии, Австро-Венгрия, Саксония, Курляндия и т.д. – «Древняягреция») он высказал некую теорию, что вещество состоит из неделимых частиц – атомов , но доказательство этому, ученые нашли только приблизительно через 2350 лет. Атом (неделимый) – разделить тоже можно, это обнаружили ещё спустя 50 лет, на электроны и ядра, а ядро – на протоны и нейтроны. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. На сегодняшний день физики считают, что кварки – предел деления материи и ничего меньше не существует. Известно шесть типов кварков: верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный, нижний – а соединяются они с помощью глюонов.
Слово «коллайдер» происходит от английского collide – сталкиваться. В коллайдере два пуска частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. Тогда как в обычных ускорителях, которые строятся и работают вот уже несколько десятилетий (первые их модели относительно умеренных размеров и мощности, появились ещё перед второй мировой войной в 30-х годах), пучек ударяет по неподвижной мишени и энергии такого соударения гораздо меньше.
«Адронным» коллайдер назван, потому что предназначается для разгона адронов. Адроны – это семейство элементарных частиц, к которым относятся протоны и нейтроны, из них состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов – то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склееных» глюонами.
Большим коллайдер стал из-за своих размеров – это крупнейшая физическая экспериментальная установка из всех когда-либо существующих в мире, только основное кольцо ускорителя тянется более, чем на 26 км.
Предполагается, что скорость разогнанных БАКом протонов составит 0,9999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн. Суммарная энергия сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ (14 тераэлектро-вольта, а ядер свинца – 5,5ГэВ на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Нуклоны (от лат. nucleus – ядро) – общее название для протонов и нейтронов.
Существуют разные мнения по поводу техники создания ускорителей на сегодняшний день: одни уверяют, что она подошла к своему логическому приделу, другие же что предела совершенству нет – и различными обзорами приводят обзоры конструкций, размер которых в 1000 раз меньше, а по производительности выше БАК’а. В электронике или компьютерной технике постоянно идет миниатюризация при одновременном росте работоспособности.
Large Hardon Collider, LHC — a typical (albeit extremely) accelerator of charged particles in the beams, designed to disperse the protons and heavy ions (lead ions) and study the products of their collisions. BAC — this microscope, in which physics will unravel, what and how to make the matter of getting information about its device in a new, even more microscopic level.
Many waited eagerly, but what comes after his run, but nothing in principle and has not happened — our world is missing much that has happened is something really interesting and ambitious. Here it is a civilization and its crown of creation man, just got a sort of coalition of civilization and the people, unity, together for over a century, in a geometric progression zagazhivaem land, and beschinno destroying anything that accumulated millions of years. On this we will talk in another message, and so — that he Hadron Collider.
Despite the many and varied expectations of peoples and the media all went quiet and peacefully. Oh, how it was all bloated, like the newspaper firm by number of rooms: «BAC = the end of the world!», «The road to discovery or disaster?», «Annihilation catastrophe», almost the end of the world and things are a gigantic black hole in zasoset that all the land. Perhaps these theories put forward envious of physics, in which the school did not receive a certificate of completion from the figure 5, on the subject.
Here, for example, was a philosopher Democritus, who in ancient Greece (and, incidentally, today’s students write it in one word, as seen this strange non-existent, like the USSR, Czechoslovakia, Austria-Hungary, Saxony, Kurland, etc. — «Drevnyayagretsiya»), he had some theory that matter consists of indivisible particles — atoms, but the proof of this, scientists have found only after about 2350 years. Atom (indivisible) — can also be divided, it is found even after 50 years on the electrons and nuclei and the nucleus — protons and neutrons at. But they, as it turned out, not the smallest particles and, in turn, are composed of quarks. To date, physics believe that quarks — the limit of division of matter and anything less does not exist. We know of six types of quarks: the ceiling, strange, charmed, charming, genuine, bottom — and they are connected via gluons.
The word «Collider» comes from the English collide — face. In the collider, two particles start flying towards each other and with the collision energy beams added. While in conventional accelerators, which are under construction and work for several decades (the first of their models on moderate size and power, appeared before the Second World War in the 30-s), puchek strikes on fixed targets and the energy of the collision is much smaller.
«Hadronic» collider named because it is designed to disperse the hadrons. Hadrons — is a family of elementary particles, which include protons and neutrons, composed of the nucleus of all atoms, as well as a variety of mesons. An important feature of hadrons — that they are not truly elementary particles, and are composed of quarks, «glued» gluon.
The big collider has been because of its size — is the largest physical experimental setup ever in the world, only the main accelerator ring stretches for more than 26 km.
It is assumed that the velocity of dispersed tank will 0.9999999998 protons to the speed of light, and the number of collisions of particles originating in the accelerator every second, to 800 million total energy of colliding protons will be 14 TeV (14 teraelektro-volt, and the nuclei of lead — 5.5 GeV for each pair of colliding nucleons. nucleons (from Lat. nucleus — nucleus) — the generic name for the protons and neutrons.
There are different views on the creation of accelerator technology to date: some say that it came to its logical side, others that there is no limit to perfection — and the various surveys provided an overview of structures, which are 1000 times smaller, but higher productivity BUCK ‘ Yes. In the electronics or computer technology is constantly miniaturization, while the growth of efficiency.
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.
В этом году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось». Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к собственной бабушке и скажу: посмотри-ка, пожалуйста, – из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но экспериментально существование бозона пока не подтверждено: все надежды – на ускоритель LHC.
Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.
Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?
Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.
Комментирует член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий Сергей Денисов:
– В этом коллайдере участвует много российских физиков, которые связывают определенные надежды с открытиями, которые могут там произойти. Основное событие, которое может случиться – это открытие так называемой гипотетической частицы Хиггса (Питер Хиггс — выдающийся шотландский физик.). Роль этой частицы чрезвычайно важна. Она ответственна за образование массы других элементарных частиц. Если такую частицу откроют, то это будет величайшим открытием. Оно подтвердило бы так называемую Стандартную модель, которая сейчас широко используется для описания всех процессов в микромире. Пока эта частица не будет открыта, эту модель нельзя считать полностью обоснованной и подтвержденной. Это, конечно, самое первое, чего ученые ожидают от этого коллайдера (LHC).
Хотя, вообще говоря, никто не считает эту Стандартную модель истиной в последней инстанции. И, скорее всего, по мнению большинства теоретиков, она является приближением или, иногда говорят, «низкоэнергетическим приближением» к более Общей теории, которая описывает мир на расстояниях в миллион раз меньших, чем размер ядер. Это примерно как теория Ньютона является «низкоэнергетическим приближением» к теории Эйнштейна – теории относительности. Вторая важная задача, связанная с коллайдером – это попытаться перейти за пределы этой самой Стандартной модели, то есть совершить переход к новым пространственно-временным интервалам.
Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом.
Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи. Скажу одно, что на БАКе могут быть открыты совершенно новые свойства пространства и времени. В каком направлении они будут открыты – сейчас сказать трудно. Главное – прорываться дальше и дальше.
Справка
Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) — крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. К настоящему времени число стран-участниц выросло до 20. Около 7000 ученых, представляющих 500 научных центров и университетов, пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Кстати, в работе над Большим адронным коллайдером принимал непосредственное участие и российский Институт ядерной физики СО РАН. Наши специалисты сейчас заняты монтажом и тестированием оборудования, которое разработано и произведено в России для этого ускорителя. Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет запущен в мае 2008 года. Как выразился Лин Эванс, глава проекта, ускорителю не хватает лишь одной детали – большой красной кнопки.
Большой адронный коллайдер на карте. Зачем нужен адронный коллайдер? Амбициозный проект человечества
Большой адронный коллайдер (БАК) был запущен 10 сентября 2008 года. Через девять дней в крупнейшем на планете ускорителе элементарных частиц произошла авария, и ученые вынуждены были прекратить работу на нем. Непосредственно перед запуском БАК и спустя некоторое время после поломки в СМИ появлялось огромное количество новостей о коллайдере, но постепенно информационный поток иссяк. Что сейчас происходит с БАК и вокруг него?
Фальстарт
Запуска БАК с нетерпением ждали не только физики, но и люди, которые последний раз вспоминали об этой науке в школе. Такое нетипичное внимание к исследованиям старательно поддерживалось журналистами, в том числе и далекими от науки. Кроме того, важную роль в “раскрутке” коллайдера сыграли работающие на нем специалисты, что является нетипичным для ученых поведением.
После проведения столь активной рекламной кампании специалисты БАК не могли обмануть ожидания миллионов жителей Земли и отложить запуск ускорителя. Знаменательное событие было намечено на 10 сентября 2008 года, однако незадолго до этого срока ученые столкнулись с рядом технических проблем. В назначенный день первые пучки протонов прошли по 27-километровому кольцу ускорителя. Исследователи прогнали протоны , перевыполнив намеченную ранее программу.
Следующие несколько дней ученые радовались, что созданная ими колоссальная установка работает как надо (хотя небольшие технические затруднения периодически возникали), а обыватели – что . Но 19 сентября около полудня ситуация вышла из-под контроля. Около сотни магнитов коллайдера вышли из сверхпроводящего состояния, которое возможно при температуре ниже 1,9 кельвина (-271,3 градуса Цельсия). Магниты начали нагреваться, и когда температура достигла 100 кельвинов, в туннель ускорителя было выброшено около шести тонн жидкого гелия из криогенной системы, поддерживающей магнит в сверхпроводящем состоянии.
Вышедшие из строя магниты относятся к так называемым поворотным магнитам. Они необходимы для того, чтобы удерживать пучки протонов на правильной траектории. В магнитную систему БАК также входят фокусирующие магниты, которые препятствуют “разбеганию” положительно заряженных протонов из-за электростатического отталкивания. Магниты специального назначения, установленные в двух точках – там, где протоны попадают в ускорительное кольцо и выходят из него, – контролируют пучок только во время его инжекции и сброса.
Сразу после аварии стало ясно, что коллайдер получил серьезные повреждения, однако точная оценка причиненного ущерба заняла длительное время. Туннель ускорителя находится на глубине 100 метров, и в нем поддерживается стабильно низкая температура. Для того чтобы понять, что и почему произошло 19 сентября, ученым необходимо было прогреть поврежденную секцию до комнатной температуры, а затем частично разобрать конструкции БАК.
В итоговом заключении технической комиссии CERN (Европейский центр ядерных исследований, международная организация, курирующая проект БАК), выпущенном 5 декабря 2008 года, был сделан вывод, что причиной аварии стал брак при монтаже одного из контактов между магнитами. Размер причиненного ущерба был . На ремонтные работы планировалось потратить половину этой суммы, а оставшиеся 10 миллионов должны были пойти на покупку новых магнитов.
Чуть позже генеральный директор CERN Рольф-Дитер Хойер объявил, что починка БАК обойдется почти на треть дороже. Согласно новым подсчетам, ориентировочная стоимость работ . Выросла и предполагаемая длительность ремонта. Изначально представители CERN говорили , затем срок . В настоящее время ученые обещают начать пробные пуски протонов – октябре 2009 года.
Помимо собственно замены или ремонта поврежденных магнитов специалисты CERN разработали диагностическую систему, которая способна выявлять повреждения, способные спровоцировать новую аварию. С помощью этой системы уже были обнаружены несколько дефектных соединений в других секторах ускорительного кольца. В начале мая ученые выяснили, что некоторые контакты могут содержать дефекты несколько иного типа. Часть из них было решено заменить на новые.
Средства на устранение последствий аварии должны были предоставить страны-участники CERN. Дополнительные расходы и сами по себе не являются приятным событием, а тут еще грянул финансовый кризис. Выделение средств не на спасение экономики, а на непонятный прибор со сложным названием показалось разумной идеей не всем государствам.
В начале мая 2009 года Австрия заявила о своем . По мнению официальных лиц, правительство смогло бы с большей пользой для страны потратить 17 миллионов, которые ежегодно уходят в бюджет CERN. Австрийские ученые восприняли решение правительства крайне негативно, и 18 мая канцлер страны объявил о том, что Австрия .
Не только БАК
Несмотря на то что на ремонт БАК уходит огромное количество ресурсов, CERN продолжает поддерживать и другие научные проекты. С 10 по 13 мая в Центре прошла конференция, посвященная их обсуждению. Для проведения большей части экспериментов ученые задействуют “разгоночные” ускорительные кольца БАК (перед тем как попасть в 27-километровый туннель, протоны набирают скорость в меньших по размеру кольцах). Программу конференции и ссылки на тексты докладов можно найти .
Том Хэнкс в роли профессора Лэнгдона. Кадр из фильма “Ангелы и демоны”
Параллельно с чисто научной деятельностью CERN продолжает активно вести просветительскую работу. Одновременно с премьерой фильма Рона Говарда был запущен сайт , на котором разъясняется суть упоминающихся в картине научных явлений. По сюжету главные герои пытаются спасти Ватикан, который злоумышленники хотят разрушить при помощи созданной в CERN . Частично на сайте воспроизводится опубликованная ранее об антивеществе, но некоторые разделы сайта, посвященные экспериментам на БАК и бозону Хиггса, являются новыми.
Научную основу картины, снятой по мотивам одноименного романа Дэна Брауна, нельзя назвать безукоризненной. Тем не менее, представители CERN активно сотрудничают со съемочной группой и используют фильм для рекламы коллайдера. Во время визита в CERN в феврале исполнитель главной роли Том Хэнкс дал согласие в церемонии повторного запуска БАК.
Еще одной категорией граждан (помимо любителей кино), которых CERN пытается приобщить к экспериментам БАК, стали дети. В конце марта 2009 года в Сети появилась “Цернландия” – сайт, на котором можно совершить путешествие в мультяшный БАК. Выполняя различные квесты, посетители сайта узнают названия и суть проводимых на коллайдере экспериментов и назначение различных установок БАК.
Что дальше?
Технические неполадки, возникшие в коллайдере, являются серьезными (учитывая размеры БАК – очень серьезными). Для их устранения специалистам CERN придется приложить огромное количество усилий, и не исключено, что в ходе проверок будут обнаружены новые дефекты. На данный момент трудно сказать, смогут ли ученые получить финансирование в достаточном объеме для того, чтобы вновь попытаться уничтожить Землю и провести грандиозный эксперимент. Тем не менее, исследователи не теряют оптимизма, а научная жизнь в CERN продолжает развиваться. А это самое главное.
В этом году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось». Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к собственной бабушке и скажу: посмотри-ка, пожалуйста, – из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но экспериментально существование бозона пока не подтверждено: все надежды – на ускоритель LHC.
Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.
Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?
Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.
Комментирует член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий Сергей Денисов:
– В этом коллайдере участвует много российских физиков, которые связывают определенные надежды с открытиями, которые могут там произойти. Основное событие, которое может случиться – это открытие так называемой гипотетической частицы Хиггса (Питер Хиггс — выдающийся шотландский физик.). Роль этой частицы чрезвычайно важна. Она ответственна за образование массы других элементарных частиц. Если такую частицу откроют, то это будет величайшим открытием. Оно подтвердило бы так называемую Стандартную модель, которая сейчас широко используется для описания всех процессов в микромире. Пока эта частица не будет открыта, эту модель нельзя считать полностью обоснованной и подтвержденной. Это, конечно, самое первое, чего ученые ожидают от этого коллайдера (LHC).
Хотя, вообще говоря, никто не считает эту Стандартную модель истиной в последней инстанции. И, скорее всего, по мнению большинства теоретиков, она является приближением или, иногда говорят, «низкоэнергетическим приближением» к более Общей теории, которая описывает мир на расстояниях в миллион раз меньших, чем размер ядер. Это примерно как теория Ньютона является «низкоэнергетическим приближением» к теории Эйнштейна – теории относительности. Вторая важная задача, связанная с коллайдером – это попытаться перейти за пределы этой самой Стандартной модели, то есть совершить переход к новым пространственно-временным интервалам.
Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом.
Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи. Скажу одно, что на БАКе могут быть открыты совершенно новые свойства пространства и времени. В каком направлении они будут открыты – сейчас сказать трудно. Главное – прорываться дальше и дальше.
Справка
Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) — крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. К настоящему времени число стран-участниц выросло до 20. Около 7000 ученых, представляющих 500 научных центров и университетов, пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Кстати, в работе над Большим адронным коллайдером принимал непосредственное участие и российский Институт ядерной физики СО РАН. Наши специалисты сейчас заняты монтажом и тестированием оборудования, которое разработано и произведено в России для этого ускорителя. Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет запущен в мае 2008 года. Как выразился Лин Эванс, глава проекта, ускорителю не хватает лишь одной детали – большой красной кнопки.
Сроки повторного запуска БАКа из‑за выявления на нем новых неполадок уже несколько раз переносились . В частности, в середине июля 2009 года на коллайдере были обнаружены нарушения герметичности и утечки в системе охлаждения в секторах 8‑1 и 2‑3, из‑за чего запуск коллайдера был вновь отложен.
Как объявил ЦЕРН, пучки протонов вновь начнут циркулировать по 27‑километровому кольцу в середине ноября, а столкновения частиц начнутся несколько недель спустя.
Специалисты ЦЕРНа намерены сперва провести столкновения на энергии предыдущей ступени ускорителя ‑ 450 гигаэлектронвольт на пучок, и только затем доведут энергию до половины проектной ‑ до 3,5 тераэлектронвольт на пучок.
Однако физики отмечают, что и на этой энергии цель создания коллайдера ‑ обнаружение бозона Хиггса , частицы, отвечающей за массу всех других элементарных частиц, ‑ может быть достигнута.
БАК будет работать в этом режиме до конца 2010 года, после чего он будет остановлен для подготовки к переходу к энергии в 7 тераэлектронвольт на пучок.
В мае 2009 года в мировой прокат вышел приключенческий фильм “Ангелы и демоны” по мотивам одноименной книги Дэна Брауна.
ЦЕРН играет ключевую роль в сюжете этого произведения, и несколько эпизодов фильма были отсняты на территории ЦЕРНа. Поскольку в фильме присутствуют элементы вымысла, в том числе и при описании того, что и как изучается в ЦЕРНе, руководство ЦЕРНа сочло полезным предупредить те вопросы, которые неизбежно возникнут у многих зрителей фильма. С этой целью был запущен специальный вебсайт Angels and Demons ‑ the science behind the story. На нём в доступной форме рассказывается о тех физических явлениях, которые вплетены в сюжет фильма (прежде всего ‑ это получение, хранение и свойства антиматерии).
Развитие сюжета начинается с двух, казалось бы, не связанных между собой, но, тем не менее, ключевых для фильма событий: смерть действующего Папы Римского, и завершение экспериментов с Большим адронным коллайдером. В результате испытаний ученые получают антивещество, которое по силе действия может сравниться с самым мощным оружием. Тайное общество Иллюминатов решает воспользоваться этим изобретением в собственных целях – уничтожить Ватикан, центр мирового католицизма, который сейчас как раз остался без главы.
Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников
Где находится большой адронный коллайдер?
В 2008 году CERN (Европейский совет ядерных исследований) завершил строительство сверхмощного ускорителя частиц, названного Большой адронный коллайдер. По-английски: LHC – Large Hadron Collider. CERN – международная межправительственная научная организация, образованная в 1955 году. По сути, это главная лаборатория мира в областях высоких энергий, физики частиц и солнечной энергетики . Членами организации являются порядка 20 стран.
Зачем нужен большой адронный коллайдер?
В окрестностях Женевы в 27-километровом (26 659 м) круговом бетонном тоннеле создано кольцо сверхпроводящих магнитов для разгона протонов. Предполагается, что ускоритель поможет не только проникнуть в тайны микроструктуры материи, но и позволит продвинуться в поисках ответа на вопрос о новых источниках энергии в глубине материи.
С этой целью одновременно со строительством самого ускорителя (стоимостью свыше 2 млрд долларов) созданы четыре детектора частиц. Из них два больших универсальных (CMS и ATLAS) и два – более специализированных. Общая стоимость детекторов приближается также к 2 млрд долларов. В каждом из больших проектов CMS и ATLAS приняли участие свыше 150 институтов из 50 стран, в том числе российских и белорусских.
Охота за неуловимым бозоном Хиггса
Как работает адронный коллайдер ускоритель? Коллайдер – это крупнейший ускоритель протонов, работающий на встречных пучках. В результате ускорения каждый из пучков будет иметь энергию в лабораторной системе 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), то есть 7×1012 электрон-вольт. При столкновении протонов образуется множество новых частиц, которые будут регистрироваться детекторами. После анализа вторичных частиц полученные данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, волнующие ученых, занимающихся физикой микромира и астрофизикой. В числе главных вопросов – экспериментальное обнаружение бозона Хиггса.
Ставший «знаменитым» бозон Хиггса – гипотетическая частица, являющаяся одним из главных компонентов так называемой стандартной, классической модели элементарных частиц. Назван по имени британского теоретика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Считается, что хиггсовские бозоны, будучи квантами поля Хиггса, имеют отношение к фундаментальным вопросам физики. В частности – к концепции происхождения масс элементарных частиц.
2-4 июля 2012 ряд экспериментов на коллайдере выявили некую частицу, которую можно соотнести с бозоном Хиггса. Причем, данные подтвердились при измерении и системой ATLAS, и системой CMS. До сих пор идут споры, действительно ли открыт пресловутый бозон Хиггса, или это другая частица. Факт в том, что обнаруженный бозон – самый тяжелый из ранее фиксировавшихся. Для решения фундаментального вопроса были приглашены ведущие физики мира: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Энглер и сам Питер Хиггс, теоретически обосновавший в далеком 1964 году существование бозона, названного в его честь. После анализа массива данных, участники исследования склонны считать, что бозон Хиггса действительно обнаружен.
Многие физики надеялись, что при исследовании бозона Хиггса выявятся «аномалии», которые заставили бы говорить о так называемой «Новой физике». Однако к концу 2014 года обработан почти весь массив данных, накопленный за три предыдущих года в результате экспериментов на БАК, и интригующих отклонений (за исключением отдельных случаев) не выявлено. На поверку оказалось, что двухфотонный распад пресловутого бозона Хиггса оказался, по словам исследователей, «слишком стандартным». Впрочем, намеченные на весну 2015 года эксперименты могут удивить научный мир новыми открытиями.
Не бозоном единым
Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.
Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц. Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е =mc ². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.
Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.
Вклад белорусских и российских ученых и инженеров в создание БАК
На этапе строительства европейские партнеры из CERN обратились к группе белорусских ученых, имеющих серьезные наработки в этой области, принять участие в создании детекторов для LHC с самого начала проекта. В свою очередь, белорусские ученые пригласили к сотрудничеству коллег Объединенного института ядерных исследований из наукограда Дубна и других российских институтов. Специалисты единой командой приступили к работе над так называемым детектором CMS – «Компактным мюонным соленоидом». Он состоит из многих сложнейших подсистем, каждая из которых сконструирована так, чтобы выполнялись специфические задачи, при этом совместно они обеспечивают идентификацию и точное измерение энергий и углов вылета всех частиц, рождающихся в момент протонных столкновений в БАК.
Белорусско-российские специалисты также участвовали в создании детектора ATLAS. Это установка высотой 20 м, способная измерить траектории частиц с высокой точностью: до 0,01 мм. Чувствительные датчики внутри детектора содержат около 10 млрд транзисторов. Приоритетная цель эксперимента ATLAS состоит в обнаружении бозона Хиггса, изучении его свойств.
Без преувеличения, наши ученые внесли существенный вклад в создание детекторов CMS и ATLAS. Некоторые важные компоненты были изготовлены на минском Машиностроительном заводе им. Октябрьской революции (МЗОР). В частности – торцевые адронные калориметры для эксперимента CMS. Кроме того, завод произвел весьма сложные элементы магнитной системы детектора ATLAS. Это крупногабаритные изделия, требующие владения специальными технологиями обработки металлов и сверхточной обработки. По оценке техников CERN, заказы были выполнены блестяще.
Нельзя недооценивать и «вклад личностей в историю». Например, инженер кандидат технических наук Роман Стефанович ответственен в проекте CMS за сверхточную механику. В шутку даже говорят, что без него CMS не был бы собран. Но если серьезно, то можно вполне определенно утверждать: без него сроки сборки и наладки при требуемом качестве не были бы выдержаны. Другой наш инженер-электронщик Владимир Чеховский, пройдя достаточно сложный конкурс, сегодня отлаживает электронику детектора CMS и его мюонных камер.
Наши ученые участвуют как в запуске детекторов, так и в лабораторной части, в их эксплуатации, поддержании и обновлении. Ученые из Дубны и их белорусские коллеги полноправно занимают свои места в международном физическом сообществе CERN, которое трудится ради получения новой информации о глубинных свойствах и строении материи.
Видео
Обзор от канала Простая наука, наглядно показывающий принцип действия ускорителя:
Обзор от уанала Галилео:
Адронный коллайдер запуск 2015:
Три причины, почему большой адронный коллайдер ЦЕРН не может заставить частицы двигаться быстрее
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. На LHC проводятся строгие проверки симметрии, но энергии фотонов намного ниже того, что производит Вселенная.
Максимилиан Брис (ЦЕРН)Если ваша цель – открыть для себя что-то совершенно новое, вы должны смотреть так, как никто раньше не смотрел. Это может означать зондирование Вселенной с большей точностью, когда важна каждая десятичная точка в ваших измерениях. Это может происходить путем сбора все большего и большего количества статистических данных, чтобы выявить чрезвычайно редкие, невероятные события. Или же нас может ждать новое открытие, которое раздвигает границы наших возможностей до постоянно растущих крайностей: более низкие температуры для криогенных экспериментов, более дальние расстояния и более слабые объекты для астрономических исследований или более высокие энергии для экспериментов по физике высоких энергий.
Именно благодаря преодолению этого последнего рубежа – энергетического рубежа – были осуществлены многие из величайших открытий в истории физики. В 1970-х годах ускорители в Брукхейвене, SLAC и Фермилабе открыли очаровательные и нижние кварки. В 1990-х годах Тэватрон Фермилаба, огромный энергетический апгрейд по сравнению с первоначальным главным кольцом, обнаружил топ-кварки: последний кварк в Стандартной модели. А в 2000-х и 2010-х годах Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, который сам по себе является огромной модернизацией Теватрона, обнаружил бозон Хиггса: последнюю оставшуюся частицу Стандартной модели.
Тем не менее, несмотря на наши исследовательские мечты о расширении границ Вселенной еще дальше, новая машина, скорее всего, потребуется. Вот три причины, по которым Большой адронный коллайдер не может заставить частицы лететь еще быстрее.
В гигантских подземных туннелях серия электромагнитов улавливает частицы высокой энергии. Когда … [+] частицы движутся по прямым частям ускорителя, электрическое поле может разогнать их до еще более высоких энергий. По мере того, как они движутся вниз по изогнутым частям, от электромагнитов требуется, чтобы они сгибались по кругу с большой окружностью.
Максимилиан Брис, ЦЕРН (Сервер документов ЦЕРН)Для начала давайте рассмотрим основы физики, лежащие в основе ускорителя частиц, а затем применим это к тому, что делает Большой адронный коллайдер. Если вы хотите заставить электрически заряженную частицу двигаться быстрее – до более высоких скоростей – вы делаете это, вы прикладываете электрическое поле в том направлении, в котором она движется, и она ускоряется. Но если вы не собираетесь делать линейный ускоритель, где вы ограничены силой вашего электрического поля и длиной вашего устройства, вам нужно будет согнуть эти частицы в круг.С круговым ускорителем вы можете рециркулировать те же самые частицы снова и снова, «подбрасывая» их к все более и более высокой энергии с каждым проходом.
Но для этого – чтобы согнуть движущуюся заряженную частицу – вам понадобится магнитное поле. Постоянный магнит просто не подходит по двум причинам:
- они имеют фиксированную прочность, которую нельзя настроить по мере необходимости, что не годится для круга фиксированного размера с частицами, которые ускоряются при движении,
- , и они относительно слабы, максимальная напряженность поля составляет от 1 до 2 Тесла.
Чтобы преодолеть эти препятствия, мы вместо этого используем электромагниты, которые можно «настроить» на любую напряженность поля, которую вы хотите, просто прокачав через них большее количество электрического тока.
Электромагниты возникают всякий раз, когда электрический ток проходит через петлю или катушку провода, … [+] вызывая внутри них магнитное поле. Хотя существует множество промышленных применений электромагнитов, от извлечения железа до МРТ-диагностики, они также уникально полезны для управления элементарными частицами.(Образовательные изображения / Универсальная группа изображений через Getty Images)
Universal Images Group через Getty ImagesНа Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе – самом мощном в мире ускорителе элементарных частиц из когда-либо построенных – протоны циркулируют как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, где они в конечном итоге будут вынуждены столкнуться. Ускоритель работает следующим образом. В серии ступеней ускоритель:
- ионизирует нормальное вещество, отрывая электроны от ядер, пока не останутся только голые протоны,
- , затем он ускоряет эти протоны до некоторой значительной энергии, поскольку приложенное напряжение (и электрическое поле) заставляют эти протоны ускоряться,
- затем он использует комбинацию электрического и магнитного полей для коллимирования этих частиц,
- , где их вводят в более крупный круговой ускоритель,
- , где магнитные поля сгибают движущиеся частицы в круг,
- , в то время как электрические поля подталкивают эти частицы на каждом проходе до немного более высоких энергий,
- по мере того, как магнитные поля усиливаются, чтобы частицы двигались по тому же кругу,
- , а затем эти частицы коллимируются, как и раньше, и вводятся в более крупный кольцевой ускоритель с более высокой энергией,
- , где электрические поля «подталкивают» их к более высоким энергиям, а магнитные поля «изгибают» их, чтобы они оставались в круге,
- до некоторой максимальной энергии как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки,
, и когда эта энергия достигается, эти частицы затем «защемляются» в определенных местах, поэтому они сталкиваются вместе там, где их окружают современные детекторы.
Схема туннелей Большого адронного коллайдера и четырех основных детекторов. В CMS, ATLAS, … [+] и LHCb создаются точки столкновения: где по часовой стрелке и против часовой стрелки циркулирующий высокоэнергетический протон сжимается до точки столкновения, с детекторами, построенными вокруг этих мест.
ЦЕРНЭто очень умная установка, показывающая, как экспериментальная физика элементарных частиц проводилась с множеством различных типов частиц (но особенно с протонами) на протяжении многих десятилетий.Большой адронный коллайдер – это новейший и величайший ускоритель, созданный сообществом физиков, который вызвал больше столкновений, измеренных более точно и с более высокими энергиями, чем любой другой ускоритель до него.
И все же он сталкивается с фундаментальными ограничениями. Несмотря на то, что он уже был модернизирован, находится в процессе очередного обновления, и его планируется обновлять несколько раз в будущем, ни одно из этих обновлений не приведет нас к более высоким энергозатратам: там, где будущие фундаментальные открытия еще могут ждать.Эти обновления будут на фронте «генерации большего количества столкновений», где большее количество частиц – то, что физики частиц называют светимостью – группируются и ускоряются вместе, увеличивая количество столкновений.
Хотя эти обновления значительны, подразумевая, что LHC будет принимать в 30-50 раз больше совокупного количества данных, уже полученных к настоящему времени в ближайшие ~ 15 лет или около того, они просто не будут способны производить более быстрые протоны или больше. энергетические столкновения. Вот три причины, почему.
Детектор CMS в ЦЕРНе, один из двух самых мощных детекторов частиц, когда-либо созданных. Буква “C” в … [+] CMS означает “компактный”, что забавно, потому что это второй по величине детектор частиц из когда-либо созданных, после ATLAS, другого крупного детектора в ЦЕРНе.
ЦЕРН1.) Сила магнита . Если бы мы могли увеличивать наши электромагниты – «изгибающие» магниты, которые заставляют частицы двигаться по кругу – до произвольно высокой напряженности поля, казалось бы, мы могли бы продолжать ускорять эти частицы до все больших и больших скоростей.С каждым полным оборотом по самой большой круговой траектории электрический «толчок» разгоняет вас до большей скорости, в то время как соответствующее увеличение напряженности магнитного поля изгибает вашу частицу сильнее. Пока ваши магниты могут не отставать, вы можете увеличивать скорость своей частицы, приближаясь к скорости света.
Для частицы, подобной протону, масса которой велика по сравнению с ее зарядом, это высокий уровень для магнитов. Более сильный магнит необходим, чтобы удерживать частицу большой массы на круговой орбите определенного радиуса, чем частица малой массы, а протоны примерно в 1836 раз массивнее, чем электрон, который имеет заряд такой же величины.Что касается магнитов на Большом адронном коллайдере, их максимальная мощность составляет около 8 Тесла, что примерно в четыре раза превышает силу магнитов на Тэватроне, предыдущем рекордсмене.
К сожалению, речь идет не только о достижении этой напряженности поля, но и о точном ее контроле, поддержании и использовании для изгиба этих частиц в точности так, как они должны изгибаться.
Внутри модернизированного магнита на LHC, который работает почти вдвое с энергией, чем во время первого запуска (2010-2013 гг.).Обновления, происходящие сейчас, в рамках подготовки к запуску III, будут увеличивать не энергию, а яркость или количество столкновений в секунду.
Ричард Джульярт / AFP / Getty ImagesЭлектромагниты нынешнего поколения на Большом адронном коллайдере действительно не могут поддерживать более сильную напряженность поля, чем эта, хотя исследования в Национальной лаборатории сильного магнитного поля позволили достичь и поддерживать напряженность поля до ~ 45/75/101 Тесла в течение коротких периодов времени. время (в зависимости от конфигурации и рассматриваемого магнита) и до 32 Тесла в течение длительного периода, новый рекорд, установленный ранее в этом году.Даже при охлаждении жидким гелием, вызывающем сверхпроводимость электромагнитов, существует физический предел напряженности поля, который может быть достигнут и сохранен в течение длительных периодов времени.
Оснащение ускорителя новым набором электромагнитов – дело дорогое и трудоемкое: специализированное производственное предприятие, специально разработанное для создания магнитов, необходимых для ускорителя, потребуется для любых видов модернизации, подобных этой. Также потребуется совершенно новый набор вспомогательной инфраструктуры.Это продвижение стало главным обновлением, которое привело к открытию топ-кварка в Фермилабе – когда было установлено новое поколение электромагнитов, создающих Теватрон, – но с нынешней технологией, установленной в настоящее время на Большом адронном коллайдере, более высокие напряженности поля просто недопустимы ». т в карточках.
Протон – это не просто три кварка и глюона, а море плотных частиц и античастиц внутри. … [+] Чем точнее мы смотрим на протон и чем с большей энергией мы проводим эксперименты по глубоконеупругому рассеянию, тем больше субструктур мы обнаруживаем внутри самого протона.Кажется, нет предела плотности частиц внутри.
Джим Пиварски / Fermilab / CMS Collaboration2.) Отношение заряда к массе протона . Если бы вы могли управлять самой природой материи, вы могли бы представить себе уменьшение массы протона, сохраняя при этом заряд. Хотя здесь мы имеем дело с теорией относительности, знаменитое уравнение Ньютона F = m a достаточно наглядно, чтобы показать, что с тем же полем и той же силой, но с меньшей массой, вы можете добиться большего ускорения.У нас есть частица с таким же зарядом, что и протон, но с гораздо меньшей массой: отрицательно заряженный электрон и его аналог из антивещества, позитрон. При таком же заряде, но всего в 1/1836 массы, он разгоняется намного быстрее и легче.
К сожалению, мы уже пробовали эксперимент по ускорению электронов и позитронов в том же самом кольце, где сейчас расположен Большой адронный коллайдер: он назывался LEP, от имени Большого электрон-позитронного коллайдера. В то время как эти электроны и позитроны смогли достичь гораздо большей скорости, чем протоны на Большом адронном коллайдере могут достичь – 299 792 457.992 м / с, в отличие от ~ 299 792 455 м / с для протонов – они соответствуют гораздо более низким энергиям, чем протоны Большого адронного коллайдера.
Ограничивающим фактором является явление, известное как синхротронное излучение.
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.
Чун-Ли Донг, Цзинхуа Го, Ян-Юань Чен и Чанг Чинг-Лин, «Мягкая рентгеновская спектроскопия исследует устройства на основе наноматериалов»Когда вы ускоряете заряженную частицу в магнитном поле, она не просто изгибается перпендикулярно как направлению поля, так и первоначальному движению частицы; он также излучает электромагнитное излучение. Это излучение уносит энергию от быстро движущейся частицы, и:
- быстрее летит частица,
- тем больше его заряд,
- меньшая его масса,
- и чем сильнее магнитное поле,
, тем более энергичным будет это синхротронное излучение.
Для такой частицы, как протон, синхротронное излучение все еще незначительно, в то время как для частицы, такой как электрон или позитрон, оно уже является ограничивающим фактором в современной технологии. Лучшим решением было бы найти частицу, которая находится между массами электрона и протона, но с таким же зарядом. У нас есть один: мюон, но проблема в том, что он нестабилен, его среднее время жизни составляет всего 2,2 микросекунды. Пока мы не сможем создавать и управлять мюонами так же легко и успешно, как мы можем управлять протонами и электронами (и их аналогами из антивещества), большая масса протона или синхротронное излучение электронов будет ограничивающим фактором.В 4 раза больше частиц W, Z, H и t, которые были произведены предыдущими и текущими коллайдерами, и исследовать фундаментальные границы, которые продвинут наши знания вперед, как никогда раньше.
Исследование CERN / FCC3.) (фиксированный) размер кольца . Сохраняя все остальное, вы всегда можете достичь более высоких энергий, увеличив размер вашего ускорителя частиц. Больший радиус означает, что магниты одинаковой силы и частицы с одинаковым зарядом и массой могут достигать более высоких энергий: удвоить радиус, и вы удвоите энергию, которую можете достичь.Фактически, основные различия между Тэватроном (который достиг энергии ~ 2 ТэВ на столкновение) и Большим адронным коллайдером (который достигает ~ 14 ТэВ):
- силы их магнитных полей (от ~ 4,2 до ~ 7,5 тесла),
- и окружности их колец (от ~ 6.3 км до ~ 27 км).
Чем больше вы сделаете свое кольцо, тем больше энергии вы сможете исследовать Вселенную. Это означает, что для создания частиц доступно больше энергии (по формуле Эйнштейна E = mc 2 ), большая вероятность наблюдения редких процессов, которые подавляются при более низких энергиях, и большая вероятность открытия чего-то принципиально нового.В то время как теоретики часто спорят о том, что может или не будет присутствовать за пределами известных в настоящее время границ, экспериментаторы знают гораздо более фундаментальную истину: природа просто такая, какая она есть, и часто противоречит нашим ожиданиям. Если мы хотим знать, что нас ждет, единственный способ узнать это – посмотреть.
Безусловно, есть новая физика за пределами Стандартной модели, но она может не проявиться до тех пор, пока энергия … [+] намного, намного превосходит то, чего когда-либо мог достичь земной коллайдер. Тем не менее, верен этот сценарий или нет, единственный способ узнать это – это посмотреть.Между тем, свойства известных частиц можно лучше изучить с помощью коллайдера будущего, чем с помощью любого другого инструмента. LHC пока не смог выявить ничего, кроме известных частиц Стандартной модели.
Universe-review.caЕсли какое-либо из этих трех препятствий можно было бы преодолеть – если бы мы могли увеличить максимальную силу электромагнитов, если бы мы могли увеличить отношение заряда к массе протона (но не слишком сильно), или если бы мы могли увеличить размер кругового трека, по которому следуют частицы – мы могли бы достичь более высоких энергий в наших столкновениях частиц и выйти за пределы исследованных в настоящее время границ экспериментальной физики.На сегодняшний день лучшая надежда на открытие новой физики на Большом адронном коллайдере будет связана со сбором большего количества данных за счет увеличения частоты столкновений частиц и работы с этой увеличенной частотой столкновений в течение длительных периодов времени. Мы надеемся, что больше данных покажет тонкий эффект, который намекает на нечто новое, выходящее за рамки того, что в настоящее время ожидается.
На протяжении всей истории всякий раз, когда технология продвигалась до такой степени, что мы могли построить новый флагманский ускоритель с более чем в 5 раз превышающим текущий порог энергии, мы делали именно это, открывая все больше возможностей во Вселенной с высокими энергиями.С умеренно более сильными электромагнитами, но гораздо более крупным ускорителем – от 80 до 100 км в окружности – предлагаемый Future Circular Collider может быть именно таким, впервые доведя нас до границы ~ 100 ТэВ. Хотя умные эксперименты с низким энергопотреблением часто могут выявить новый тонкий эффект, если они правильно спланированы, ничто не может заменить универсальное решение методом грубой силы. Если мы хотим заставить частицы лететь быстрее, создавая столкновения с большей энергией, чем когда-либо прежде, абсолютно необходимо сделать следующий шаг.
Физики обнаружили признаки нейтрино на Большом адронном коллайдере
Детектор частиц FASER, который получил одобрение ЦЕРН для установки на Большом адронном коллайдере в 2019 году, недавно был дополнен прибором для обнаружения нейтрино. Команда FASER под руководством UCI использовала меньший детектор того же типа в 2018 году, чтобы сделать первые наблюдения неуловимых частиц, генерируемых на коллайдере. По словам исследователей, новый прибор сможет обнаруживать тысячи взаимодействий нейтрино в течение следующих трех лет.Кредит: ЦЕРНМеждународная группа экспериментов по прямому поиску, возглавляемая физиками из Калифорнийского университета в Ирвине, впервые в истории обнаружила кандидатов в нейтрино, произведенные Большим адронным коллайдером на установке ЦЕРН недалеко от Женевы, Швейцария.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Physical Review D , исследователи описывают, как они наблюдали шесть взаимодействий нейтрино во время пилотного запуска компактного детектора эмульсии, установленного на LHC в 2018 году.
«До этого проекта на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино», – сказал соавтор Джонатан Фенг, заслуженный профессор физики и астрономии Калифорнийского университета и один из руководителей коллаборации FASER. «Этот значительный прорыв – шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».
Он сказал, что открытие, сделанное во время пилотного проекта, дало его команде две важные части информации.
«Во-первых, он подтвердил, что положение перед точкой взаимодействия ATLAS на LHC является правильным местом для обнаружения нейтрино коллайдера», – сказал Фенг.«Во-вторых, наши усилия продемонстрировали эффективность использования детектора эмульсии для наблюдения такого рода нейтринных взаимодействий».
Пилотный прибор состоял из пластин свинца и вольфрама, чередующихся со слоями эмульсии. Во время столкновений частиц на LHC некоторые из нейтрино врезаются в ядра плотных металлов, создавая частицы, которые проходят через слои эмульсии и оставляют видимые следы после обработки. Эти гравюры дают представление об энергиях частиц, их аромате – тау, мюоне или электроне – и о том, нейтрино они или антинейтрино.
По словам Фенга, эмульсия действует аналогично фотографии в доцифровую эпоху. Когда 35-миллиметровая пленка подвергается воздействию света, фотоны оставляют следы, которые проявляются в виде узоров при проявлении пленки. Исследователи FASER также смогли увидеть взаимодействия нейтрино после удаления и проявления эмульсионных слоев детектора.
Эксперимент FASER расположен в 480 метрах от точки взаимодействия ATLAS на Большом адронном коллайдере.По словам Джонатана Фенга, заслуженного профессора физики и астрономии UCI и соруководителя коллаборации FASER, это хорошее место для обнаружения нейтрино, возникающих в результате столкновений частиц на объекте. Кредит: ЦЕРН«Проверив эффективность подхода детектора эмульсии для наблюдения взаимодействий нейтрино, производимых на коллайдере частиц, команда FASER теперь готовит новую серию экспериментов с полноценным прибором, который намного больше и значительно более чувствителен», – сказал Фенг.
С 2019 года он и его коллеги готовятся к проведению эксперимента с приборами FASER по исследованию темной материи на LHC. Они надеются обнаружить темные фотоны, что даст исследователям первое представление о том, как темная материя взаимодействует с нормальными атомами и другим веществом во Вселенной посредством негравитационных сил.
Благодаря успешной работе над нейтрино за последние несколько лет, команда FASER, состоящая из 76 физиков из 21 института в девяти странах, объединяет новый детектор эмульсии с аппаратом FASER. В то время как пилотный детектор весил около 64 фунтов, прибор FASERnu будет весить более 2400 фунтов, и он будет гораздо более реактивным и сможет различать разновидности нейтрино.
«Учитывая мощность нашего нового детектора и его удобное расположение в ЦЕРН, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий в следующем запуске LHC, начиная с 2022 года», – сказал соавтор Дэвид Каспер, проект FASER. соруководитель и доцент кафедры физики и астрономии UCI.«Мы обнаружим нейтрино с самой высокой энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника».
По его словам, уникальность FASERnu заключается в том, что в то время как в других экспериментах можно было различать один или два типа нейтрино, с его помощью можно будет наблюдать все три типа нейтрино и их аналоги в виде антинейтрино. Каспер сказал, что за всю историю человечества было всего около 10 наблюдений тау-нейтрино, но он ожидает, что его команда сможет удвоить или утроить это число в течение следующих трех лет.
«Это невероятно хорошая связь с традицией физического факультета здесь, в UCI, – сказал Фэн, – потому что она продолжает наследие Фредерика Райнеса, одного из основателей UCI, который получил Нобелевскую премию по физике за быть первым, кто открыл нейтрино ».
«Мы провели эксперимент мирового уровня в ведущей в мире лаборатории физики элементарных частиц в рекордно короткие сроки и с использованием очень нетрадиционных источников», – сказал Каспер. «Мы очень признательны Фонду Хейзинг-Саймонса и Фонду Саймонса, а также Японскому обществу содействия науке и ЦЕРН, которые оказали нам щедрую поддержку.«
Саванна Шивели и Джейсон Аракава, доктор философии UCI. студенты, изучающие физику и астрономию, также внесли свой вклад в статью.
Рождение FASER: новый эксперимент будет изучать частицы, взаимодействующие с темной материей
Дополнительная информация: Хенсо Абреу и др., Первые кандидаты нейтринного взаимодействия на LHC, Physical Review D (2021).DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.L091101
Ссылка : Физики обнаруживают признаки нейтрино на Большом адронном коллайдере (2021, 26 ноября) получено 27 ноября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2021-11-Physicists-Neutrinos-large-hadron-collider.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
новой фундаментальной физики? Необъяснимые явления из эксперимента на большом адронном коллайдере
Типичное событие LHCb полностью реконструировано.Частицы, идентифицированные как пионы, каоны и т. Д., Показаны разными цветами. Предоставлено: CERN, LHCb Collaboration
.Результаты, объявленные экспериментом LHCb в ЦЕРНе, выявили дальнейшие намеки на явления, которые не могут быть объяснены нашей текущей теорией фундаментальной физики.
В марте 2020 года в том же эксперименте были получены свидетельства того, что частицы нарушают один из основных принципов Стандартной модели – нашу лучшую теорию частиц и сил – предполагая возможное существование новых фундаментальных частиц и сил.
Теперь дальнейшие измерения, выполненные физиками из Кэвендишской лаборатории Кембриджа, обнаружили аналогичные эффекты, что дает основания для новой физики.
«Тот факт, что мы увидели тот же эффект, что и наши коллеги в марте, безусловно, увеличивает шансы на то, что мы действительно находимся на грани открытия чего-то нового». – Гарри Клифф
Стандартная модель описывает все известные частицы, составляющие Вселенную, и силы, через которые они взаимодействуют.На сегодняшний день он прошел все экспериментальные испытания, но, тем не менее, физики знают, что он должен быть неполным. Он не включает в себя силу гравитации и не может объяснить, как материя образовалась во время Большого взрыва, и не содержит частиц, которые могли бы объяснить загадочную темную материю, которую, по данным астрономии, в пять раз больше, чем того вещества, из которого состоит материя. видимый мир вокруг нас.
В результате физики давно ищут признаки физики за пределами Стандартной модели, которые могли бы помочь нам разгадать некоторые из этих загадок.
Один из лучших способов поиска новых частиц и сил – изучение частиц, известных как кварки красоты. Это экзотические родственники верхних и нижних кварков, составляющих ядра каждого атома.
Красных кварков не существует в большом количестве в мире, поскольку они невероятно недолговечны – выживают в среднем всего одну триллионную долю секунды, прежде чем трансформируются или распадаются на другие частицы. Однако миллиарды прекрасных кварков производятся каждый год на гигантском ускорителе частиц ЦЕРНа, Большом адронном коллайдере, которые регистрируются специальным детектором под названием LHCb.
Экспериментальная пещера LHCb на LHC-IP 8. Источник: ЦЕРН
На то, как распадаются прекрасные кварки, может влиять существование неоткрытых сил или частиц. В марте группа физиков из LHCb опубликовала результаты, свидетельствующие о том, что прекрасные кварки распадались на частицы, называемые мюонами, реже, чем на их более легких собратьев, электронов. Это невозможно объяснить в Стандартной модели, которая рассматривает электроны и мюоны одинаково, за исключением того факта, что электроны примерно в 200 раз легче мюонов.В результате прекрасные кварки должны распадаться на мюоны и электроны с одинаковой скоростью. Вместо этого физики из LHCb обнаружили, что распад мюона происходит примерно на 85% чаще, чем распад электрона.
Разница между результатом LHCb и Стандартной моделью составляла около трех единиц экспериментальной ошибки, или «3 сигмы», как это известно в физике элементарных частиц. Это означает, что вероятность того, что результат был вызван статистической случайностью, составляет примерно один шанс из тысячи.
Если результат верен, наиболее вероятное объяснение состоит в том, что новая сила, которая притягивает электроны и мюоны с разной силой, мешает распаду этих прекрасных кварков.Однако для того, чтобы убедиться в реальности эффекта, необходимо больше данных, чтобы уменьшить экспериментальную ошибку. Только когда результат достигнет порога «5 сигм», когда вероятность того, что он является случайным, составляет менее одного миллиона, физики элементарных частиц начнут считать его подлинным открытием.
«Тот факт, что мы наблюдали тот же эффект, что и наши коллеги в марте, безусловно, увеличивает шансы на то, что мы действительно стоим на пороге открытия чего-то нового», – сказал доктор Гарри Клифф из Кавендишской лаборатории.«Замечательно пролить немного света на загадку».
Сегодняшний результат исследовал два новых распада прекрасных кварков из того же семейства распадов, что использовался в мартовском результате. Команда обнаружила тот же эффект – распад мюонов происходил примерно на 70% чаще, чем распад электрона. На этот раз ошибка больше, что означает, что отклонение составляет около «2 сигм», то есть вероятность того, что это вызвано статистической ошибкой данных, составляет чуть более 2%. Хотя сам по себе результат не является окончательным, он добавляет дополнительную поддержку растущему количеству свидетельств того, что существуют новые фундаментальные силы, которые ждут своего открытия.
«Волнение вокруг Большого адронного коллайдера растет как раз в тот момент, когда скоро будет включен модернизированный детектор LHCb и будут собираться дальнейшие данные, которые предоставят необходимую статистику для утверждения или опровержения крупного открытия», – сказал профессор Вэл Гибсон, также из Кавендишская лаборатория.
«призрачных частиц» впервые обнаружены на Большом адронном коллайдере
Физики впервые обнаружили «призрачные частицы» на Большом адронном коллайдере.Эксперимент под названием FASER обнаружил контрольные сигналы нейтрино, образующихся при столкновении частиц, что может помочь ученым лучше понять основную физику.
Нейтрино – это элементарные частицы, которые электрически нейтральны, очень легкие и редко взаимодействуют с частицами материи. Из-за этого их сложно обнаружить, хотя они очень распространены – на самом деле, прямо сейчас через ваше тело проходят миллиарды нейтрино. Из-за этого их часто называют призрачными частицами.
Нейтрино образуются в звездах, сверхновых, квазарах. радиоактивный распад и космические лучи, взаимодействующие с атомами в атмосфере Земли. Долгое время считалось, что ускорители элементарных частиц, такие как LHC, тоже должны делать их, но без правильных инструментов они просто ускользнули бы незамеченными.
И вот этот «правильный прибор» установлен и протестирован. Во время пилотного запуска эксперимента под названием FASER, установленного в 2018 году, ученые обнаружили шесть взаимодействий нейтрино.
«До этого проекта на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино», – говорит Джонатан Фенг, соавтор исследования, описывающего результаты. «Этот значительный прорыв – шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».
Расположенный в 480 м (1575 футов) вниз по линии от места столкновения частиц, инструмент FASER работает как пленочная фотография, говорят ученые. Детектор состоит из пластин из свинца и вольфрама, разделенных слоями эмульсии.Некоторые из нейтрино ударяются о ядра атомов в плотных металлах, что создает другие частицы, которые проходят через эмульсию. Следы, которые они оставляют, можно увидеть, когда слои эмульсии «проявятся», как пленка. И действительно, в данных было замечено шесть таких отметок.
«Проверив эффективность подхода детектора эмульсии для наблюдения взаимодействий нейтрино, производимых на коллайдере частиц, команда FASER теперь готовит новую серию экспериментов с полным прибором, который намного больше и значительно более чувствителен», – говорит Фенг. .
Эта полная версия, названная FASERnu, будет весить более 1090 кг (2400 фунтов) по сравнению с 29 кг (64 фунта) пилота. Его повышенная чувствительность позволит ему не только чаще обнаруживать нейтрино, но и различать три разных «вкуса», которые они входят, а также антинейтрино.
«Учитывая мощность нашего нового детектора и его удобное расположение в ЦЕРНе, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий в следующем запуске LHC, начиная с 2022 года», – говорит Дэвид Каспер, соавтор книги. изучение.«Мы обнаружим нейтрино с самой высокой энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review D .
Источник: Калифорнийский университет, Ирвин.
Нейтринных сигналов, обнаруженных на Большом адронном коллайдере впервые за всю историю
Физики на Большом адронном коллайдере (LHC) Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) сообщили об обнаружении нейтрино сигналы в первой в мире машине для дробления частиц.
Нейтрино – это фундаментальные частицы Вселенной, а это означает, что, насколько нам известно, они не состоят из каких-либо более мелких компонентов.
Ученые годами охотились за нейтрино, и специальные детекторы уже подтвердили их присутствие.
Считается, что, если физики смогут узнать о них больше, они смогут ответить на некоторые из наиболее актуальных вопросов физики, например, почему мы живем во Вселенной, состоящей из материи, а не антивещества.
Но нейтрино, как известно, неуловимы.Отчасти это связано с тем, что они невероятно малы и легки, а их масса в сотни тысяч раз меньше массы электрона, что само по себе вряд ли является гигантским.
Это означает, что они проходят почти все, с чем сталкиваются. Считается, что триллионы из них проходят через наши тела и выходят с другой стороны каждую секунду.
Мы знаем, что одни нейтрино образуются в самом сердце Солнца, а другие должны также образовываться, когда LHC сталкивает частицы вместе.Но на сегодняшний день ученые никогда не обнаружили нейтрино, произведенное коллайдером частиц.
Чтобы обойти это, исследователи разработали специальный детектор частиц под названием FASER, который должен быть прикреплен к LHC и обнаруживать эти нейтрино.
Конечный продукт должен начать свои первые измерения где-то в следующем году, но в 2018 году команда установила прототип, чтобы провести первые измерения.
Используя этот прототип, исследователи обнаружили в общей сложности шесть «кандидатов на взаимодействие нейтрино» внутри LHC, доказав эффективность детектора.
Джонатан Фенг, соруководитель FASER Collaboration и профессор физики Калифорнийского университета в Ирвине (UCI), сказал в пресс-релизе университета: «До этого проекта никаких признаков нейтрино никогда не наблюдалось. коллайдер частиц.
«Этот значительный прорыв – шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».
Исследователи объявили о своем открытии в исследовании, опубликованном в журнале Physical Review D в среду.
В детекторе для обнаружения нейтрино используются пластины из свинца и вольфрама. Согласно UCI, во время эксперимента на LHC столкновения частиц производят нейтрино, которые затем взаимодействуют с этими плотными металлическими пластинами и оставляют следы. Изучая эти контрольные признаки, физики могут многое узнать о нейтрино, в том числе об их энергии и типе.
Эта новость последовала за другим недавним заявлением о нейтрино, сделанном в октябре после кропотливых поисков самого неуловимого нейтрино из всех – так называемого стерильного нейтрино, – которые не привели ни к одному из них.
Ученый смотрит на часть Большого адронного коллайдера Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии, июль 2013 года. Ученые обнаружили в коллайдере признаки нейтрино. Фабрис Коффрини / AFP / GettyБольшой адронный коллайдер
Когда в 2012 году об открытии бозона Хиггса в ЦЕРНе заговорили заголовки, мир был ошеломлен этим достижением современной науки. Однако менее ценились многие способы, которыми это принесло пользу обществу.
Большой адронный коллайдер – величайшее приключение в городе показывает путь к культурным, экономическим и медицинским достижениям современной физики элементарных частиц. Он иллюстрирует эти сообщения с помощью эксперимента ATLAS в ЦЕРНе, одного из двух крупных экспериментов, в ходе которых была обнаружена частица Хиггса. Уходя от углубленного анализа физики, он опирается на беспрецедентный интерес к физике элементарных частиц, вызванный открытием Хиггса, и связывает его с разработками, известными в современном мире, включая Интернет, его преемника “Решетку” и новейшие виды рака. лечения.
В этой книге успехи, достигнутые при разработке 27-километрового ускорителя частиц и его детекторов, представлены на основе интервью из первых рук и подробно проиллюстрированы. Интервьюируемые – ведущие физики, в том числе сменявшие друг друга главы ATLAS, ведущий историк науки, весьма оригинальный экономический стратег, лауреат Нобелевской премии в области генетики и президент Королевского общества в Лондоне, а также эксперты во многих других областях. Эти информативные и развлекательные идеи предоставляют как специалистам, так и неспециалистам уникальное окно в мир современных международных исследований и их часто удивительных последствий, примером которых является эксперимент ATLAS.Повествование показывает степень и стиль международного сотрудничества, необходимого для достижения успеха, и то, как крупные компании, а также стартапы улучшают свои продукты в процессе.
Примеры глав
Глава 1: Сама физика и зачем ей LHC (398 КБ)
В комплекте:
- Сама физика и зачем ей нужен LHC
- Философский контекст, основанный на материалах, представленных профессором Ренном
- Детектор ATLAS как цель
- Мир объединяется – распространение опыта и поиск ресурсов
- “Чудо” ИТ-системы LHC / ATLAS, последовавшее за успехом WEB
- Социология Атласа и ЦЕРН: модели будущего мира
- Экономический взгляд на ATLAS: опционный подход и промышленные примеры
- Физика элементарных частиц меняет медицину: последние примеры из ATLAS и CERN
- ATLAS и CERN как источник вдохновения для исследований и найма сотрудников в сфере науки и технологий
- Дальнейшие выводы из физики и следующие шаги, включая дополнительные измерения пространства, суперсимметрию и темную материю
Читательская аудитория: Опытные студенты и профессионалы, интересующиеся более широкой историей о LHC и историями, лежащими в основе эксперимента ATLAS.
европейских физиков смело делают небольшой шаг к 100-километровому уничтожителю атомов | Наука
Это общепризнанная истина, что физическая лаборатория с ведущим в мире научным оборудованием должна иметь план создания еще более совершенной машины, которая могла бы ее заменить. То же самое и с европейской лабораторией физики элементарных частиц, CERN, недалеко от Женевы, где находится крупнейший в мире разрушитель атомов – Большой адронный коллайдер (LHC) длиной 27 километров. Сегодня управляющий совет ЦЕРН объявил, что запустит технико-финансовое обоснование для создания еще большего коллайдера длиной от 80 до 100 километров (на самом деле два из них подряд), который в конечном итоге сможет достичь энергии в семь раз выше, чем LHC.Первая машина будет построена не раньше 2040 года.
«Государства-члены ЦЕРН гордятся тем, что это] ведущая лаборатория физики элементарных частиц, и я думаю, что ЦЕРН будет там оставаться», – говорит Урсула Басслер. , физик и президент Совета ЦЕРН, группы представителей 23 стран, поддерживающих лабораторию. Однако генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти подчеркивает, что не было принято никаких обязательств по созданию нового гигантского коллайдера, который может стоить 20 миллиардов долларов.«Рекомендаций по реализации какого-либо проекта нет», – говорит она. «Это произойдет через несколько лет».
Физики обсуждали, какой коллайдер построить дальше, задолго до того, как LHC начал собирать данные в 2010 году. В начале 2000-х годов дискуссии были сосредоточены на 30-километровом прямолинейном линейном коллайдере, который разбивал бы электроны на позитроны. . Такая машина могла бы дополнить круговой LHC, который разбивает встречные потоки протонов. У двух типов машин разные сильные стороны.Протонный коллайдер обычно может достигать более высоких энергий и открывать более тяжелые новые частицы. Но протоны состоят из других частиц, называемых кварками, поэтому они совершают беспорядочные столкновения. Напротив, электроны и позитроны являются неделимыми элементарными частицами, поэтому они совершают более чистые столкновения. Исторически сложилось так, что физики часто находили новые частицы на протонных коллайдерах и детально изучали их на электрон-позитронных коллайдерах.
Это игра, в которую сегодня пытаются играть физики, работающие с частицами во всем мире.В 2012 году разрушающий протоны LHC взорвал бозон Хиггса, последнюю частицу, предсказанную стандартной моделью физиков, и стержень их объяснения того, как все другие фундаментальные частицы получают свою массу. Многие сейчас хотели бы построить электрон-позитронный коллайдер и запустить его как фабрику Хиггса, чтобы производить частицу в больших количествах и посмотреть, обладает ли она точно предсказанными свойствами. Любое отклонение от прогнозов будет признаком новой физики, выходящей за рамки стандартной модели 40-летней давности, которую физики элементарных частиц отчаянно пытаются найти.Физики Японии хотели бы разместить у себя такой линейный коллайдер.
Однако несколько лет назад некоторые физики предложили другой подход, построив круговой электрон-позитронный коллайдер длиной от 80 до 100 километров для изучения Хиггса. У этой машины был бы серьезный недостаток: поскольку легкие электроны вращаются по кругу, они излучают обильное рентгеновское излучение и теряют энергию, поэтому такая машина неэффективна и ограничена в своей энергетической досягаемости. Но у него есть большой практический плюс: туннель, который ему нужен, позже можно было бы использовать для размещения протонного коллайдера с более высокой энергией.Это именно то, что ЦЕРН сделал с LHC, который был построен в существующем туннеле, вырытом для Большого электронно-позитронного коллайдера, который работал с 1989 по 2000 год (он подробно изучал частицы, называемые бозонами W и Z, которые были обнаружены ранее. с протон-антипротонным коллайдером в ЦЕРНе.)
Теперь физики ЦЕРН видят будущее, в котором около 2040 года они построят огромный кольцевой электрон-позитронный коллайдер для изучения Хиггса. Затем они последуют за более мощным протонным коллайдером, чтобы достичь нового рубежа высоких энергий.Сегодня совет CERN сделал шаг в этом направлении, объявив об обновлении своей долгосрочной стратегии, первом с 2013 года.
Однако насколько сильно изменились планы CERN, остается неясным. Некоторые физики уже давно работают над собственным проектом ЦЕРНа для линейного коллайдера. И похоже, что новая долгосрочная стратегия не полностью отбрасывает эту идею на второй план. «Мы также рекомендуем продолжать исследования и разработки ускорителей, чтобы не упустить возможность улучшить нашу технологию ускорителей», – сказала Халина Абрамович, физик из Тель-Авивского университета, которая руководила планированием, во время онлайн-сессии вопросов и ответов.«Я думаю, что важно очень четко передать это сообщение».
Технико-экономическое обоснование для новой большой машины должно быть выполнено к 2026 или 2027 году, когда ЦЕРН в следующий раз обновит свою долгосрочную стратегию. У ЦЕРНа также может быть конкуренция в предполагаемой гонке вооружений на коллайдерах, поскольку у физиков в Китае есть аналогичные планы по созданию больших кольцевых коллайдеров. Конечно, все может зависеть от того, найдет ли LHC, который сейчас модернизируется и должен работать до середины 2030-х годов, что-либо, кроме бозона Хиггса, для изучения.