Что такое большой адронный коллайдер?
Большинство людей знают, что большой адронный коллайдер – это огромная машина для сталкивания атомов. Он пересекает французско-швейцарскую границу, и стоит настолько дорого, что более десятку правительственных неправительственных органов пришлось скинуться на его постройку. Весь проект ведется тысячами ученых из сотен стран, под руководством Европейского агентства ядерных исследований, CERN. Основные детекторы просто огромны, для их обслуживания необходимы леса, а так же едва ли не хирургическая аккуратность при работе. Грубо говоря, это просто огромная петля, но давайте поближе ее рассмотрим.
В реальности, коллайдер это несколько очень больших петель, выстроенных в порядке усиления мощности. Получается, что ускоренные частицы вроде протона требуют разное оборудование для достижения нужной скорости. Магниты могут разогнать частицу с 99% до 99.9999% скорости света, но это совсем не те магниты, что разгоняют частицу с 1% до 15% скорости света.
Как таковой, коллайдер питается ускорителями частиц, работающих в последовательности, чтобы достичь финального разгона в 7 тера-электрон-вольт (ТэВ) и более.
Эта карта показывает основной круг коллайдера и суперпротонный синхротрон.
Первый это линейный ускоритель частиц (LINAC 2), который производит какие-то жалкие 50 мега-электрон-вольт (МэВ) и передает экспериментальные протоны на первый из цепи замкнутых акселераторов, протонный синхротронный ускоритель (Pb). Петля Pb быстро разгоняет частицы до 2ГэВ, и передает их на протонный синхротрон, который продолжает ускорение до 28 ГэВ. Оттуда, протонный синхротрон передает частицу на… суперпротонный синхротрон, который может достигать энергии в 400ГэВ и выше. Физики практически предложили улучшить СПС до супер-СПС (да, супер-суперпротонный синхротрон), чтобы протоны могли достигать ТэВ перед тем, как выйти на последний круг самого коллайдера.
Эти частицы движутся со скоростью, очень близкой к скорости света, перед тем, как перейти к самому коллайдеру.
Но разгон протона на эти несколько последних процентов становится решающим для современных физических экспериментов. Разбивать протоны на кварки это одно, но коллайдер может сталкивать частицы с такой силой, что в точке столкновения будет искажаться пространство, открывая бесконечно краткое окно в истинно квантовый мир. Это не так-то просто, и далеко не дешево.
LINAC является самым простым из ускорителей, и, тем не менее, он абсолютный зверь.
Обратите внимание, что кольцо коллайдера это не эксперимент сам по себе, но инструмент для их проведения при помощи определенного ресурса – сверхзаряженных частиц. Как именно эти сверхзаряженные частицы должны использоваться описано во время самих экспериментов, которые проводятся в разных участках кольца и с разными целями. Есть всего семь экспериментов, но внимание стоит уделить всего четырем: ATLAS, ALICE, CMS, и LHCb.
ATLAS, вероятно, самый популярный из всех экспериментов коллайдера. Именно из него CERN получила необходимые данные для исследования бозона Хиггса.
Название расшифровывается как A Toroidal LHC ApparatuS (тодориальный аппарат большого адронного коллайдера), и его диаметр более 80 футов. ATLAS был разработан как универсальный детектор 40 миллионов пересечений лучей в секунду, и собирает столько информации об этих пересечениях, сколько вообще возможно.
CMS, или Compact Muon Solenoid (компактный мюонный соленоид) – это попытка достичь того же результата, что и ATLAS, но иными средствами. Еще “детектор общего назначения” CMS меньше, но более магнитно концентрирован, чем ATLAS. Он разработан для наблюдения за тем же феноменом, что и ATLAS, но допускает чуть больше компромиссов в процессе. CMS также внес вклад в поиски бозона Хиггса, но не так популярен в СМИ.
ATLAS против CMS
ALICE, с другой стороны, более специализирован. Названный A Large Ion Collider Experiment (эксперимент большого адронного коллайдера), он не ставит себе целью разогнать частицы до предела, так как он измеряет эффекты “тяжелых ядер”, например, свинца, которому нужно 2-3ТэВ для столкновения.
Это создает уровень деструктивной энергии, которая может подтолкнуть атомы к формированию кварк-глюонной плазмы, где они могут свободно перемещаться, и их можно исследовать в этом состоянии. Это означает, что ALICE разработан для наблюдения за концепцией под названием квантовая хромидинамика (QCD), и он улучшает научное понимание этого принципа еще с момента первого запуска в 2010 году.
ATLAS, определенно, самый визуально впечатляющий эксперимент на коллайдере.
Потому есть и Large Hadron Collider beauty (красота большого адронного коллайдера), который недавно подтвердил частицу собственного открытия: пентакварк. LHCb разработан для исследования экзотического поведения материи и, собственно, природы антиматериально-материальной асимметрии Вселенной. Основной вопрос этого эксперимента – почему вообще во Вселенной есть материя? Теория гласит, что в начале Вселенной, большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. Эти два материала уничтожают друг друга при взаимодействии, так как так получилось, что на текущем этапе так много материи, и так мало антиматерии? LHCb разработан как раз для ответа на этот вопрос.
Мысли о следующем большом шаге для науки частиц, вероятно, остаются в коллайдере еще на некоторое время. И вместо создания нового проекта, ученые озабочены более сильным разгоном в существующем коллайдере. Ускоритель снова распахнул свои двери после длительной серии модернизаций. Никто не говорит, как много раз еще можно толкнуть физику в этом направлении до следующего совершенно нового проекта настолько же масштабного.
Большой адронный коллайдер: какие открытия он принес и чего ждать от перезапуска?
В конце апреля Большой адронный коллайдер был запущен вновь — после трехлетней остановки для модернизации. Вспоминаем, какие важные открытия он помог сделать и каких результатов стоит ждать теперь
На первый взгляд 27-километровый кольцевой туннель под землей — довольно скучное место. Любителям эффектных зрелищ, вроде облачного гриба над ядерным полигоном или голубоватого свечения Вавилова — Черенкова в реакторе, здесь делать нечего. Все самое интересное происходит в наглухо запаянных трубах.
И все же можно сказать без преувеличения, что это место с самыми экстремальными условиями на Земле. А в чем-то и во всей Солнечной системе. Например, в 2012 году в БАК удалось достичь рекордной температуры в 5,5 трлн градусов (в 350 тыс. раз горячее, чем на Солнце). А плотность получившегося вещества была больше, чем у нейтронной звезды.
По своей функции коллайдер близок к микроскопу. А в чем-то он даже похож на машину времени. Мельчайшие частицы, из которых состоит мир, нельзя увидеть или пощупать. Некоторые из них вообще живут йоктосекунды (10 в −24-й cтепени секунды) и образуются только в экстремальных условиях (какие существовали, например, при рождении Вселенной).
Чтобы смоделировать эти условия, ученые ускоряют пучки элементарных частиц до околосветовых скоростей и сталкивают их. Материя макромира (молекулы и физические тела) в таких условиях распадается, но для микромира начинается самое интересное.
В самом общем смысле — чтобы понять, как все устроено. Ученые используют теоретические модели, чтобы искать объяснение природным феноменам, прогнозировать события и создавать новые технологии.
Но в любой модели есть и белые пятна, и противоречия.
Десятки лет назад физики сформулировали положения Стандартной модели, в которой все основные процессы подчинялись четырем силам: слабой, сильной, электромагнитной и гравитационной. Скажем, без слабого взаимодействия не происходило бы термоядерных реакций, Солнце бы не светило и жизнь была бы невозможна.
Уравнения Стандартной модели можно сравнить с чертежом огромной башни. Мы смотрим на него и представляем, как башня стоит, как в ней живут люди и как она ведет себя в разных погодных условиях. Но это только теория. При строительстве материалы могут повести себя иначе. Из-за ошибки в проектировании такая постройка, возможно, никогда бы не смогла существовать.
Стандартная модель позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. И чаще всего эти предсказания подтверждаются экспериментом. Но иногда предсказания расходятся с полученными данными. А иногда над подтверждением давно сформулированной гипотезы приходится биться годами.
Одна из таких гипотез связана с бозоном Хиггса.
Бозон Хиггса, который журналисты окрестили “частицей Бога”, — пожалуй, самая знаменитая из всех частиц, обнаруженных детекторами БАК. Его открытие было одной из главных целей строительства всего сооружения. И она в итоге была достигнута в 2012 году. Но почему он так важен?
Согласно Стандартной модели, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых состоит материя, и бозоны, которые обеспечивают взаимодействия между фермионами. Без бозонов нейтроны, протоны и электроны просто летали бы по Вселенной, не образуя атомов.
Другая важная составляющая теории — симметрия. Она определяет поведение частиц и действие сил, которые на них влияют. Например, электромагнитное и слабое взаимодействия благодаря симметрии действуют как проявления одной и той же силы — электрослабой. Но эта красивая в теории идея могла работать только в том случае, если бы у частиц не было массы.
Как считается, в ранней Вселенной частицы были безмассовыми, и симметрия соблюдалась.
Но затем симметрия стала самопроизвольно нарушаться. Одни частицы при этом вели себя как массивные, а другие — как безмассовые. С этим процессом и была связана одна из главных загадок Стандартной модели: почему происходят спонтанные нарушения симметрии.
Физик Питер Хиггс предположил, что масса частиц возникает под действием особого поля. В современном представлении частицы — это не шарики, а колеблющиеся “кусочки” (кванты) поля. Например, электроны — это колебания электронного поля, а фотоны — электромагнитного. Бозон Хиггса — тоже квант. Некоторые частицы, проходя через хиггсовское поле, “цепляются” за него и обретают массу.
Бозон Хиггса был последним недостающим элементом в Стандартной модели. Если бы его не нашли, пришлось бы искать другие объяснения того, почему нарушается симметрия. Впрочем, сам хиггсовский механизм тоже не до конца понятен, и поэтому сама Стандартная модель — лишь частный случай более общей теории, которая пока не создана.
На самом деле, конечно, БАК был построен не только ради одного бозона.
В экспериментах проводятся сразу десятки и сотни параллельных экспериментов.
Изучение конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении 10–20 лет, по несколько месяцев в году. В остальное время его инспектируют, чинят, модернизируют. В течение всего этого времени регулярно, с частотой в миллионы раз в секунду, сталкиваются сгустки частиц.
Кстати, сгусток (bunch) и пучок (beam) частиц — не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летают, удерживаемые магнитным полем, вдоль одной и той же орбиты. Весь этот поток частиц образует пучок — точнее, два встречных пучка, которые движутся по двум разным пересекающимся орбитам. Но этот пучок не сплошной, а разбит на компактные кучки — сгустки, — следующие друг за другом на одинаковом расстоянии.
В результате в точке пересечения двух встречных пучков частицы сталкиваются не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени; а вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц, которые пытаются уловить все, что рождается в столкновениях.
Но особенность квантового мира в том, что в нем происходят все процессы, которые в принципе могут произойти — только с разной вероятностью. Поэтому, чтобы заметить какой-то очень редкий процесс, надо повторить столкновение в одинаковых условиях много раз. И задача ученых в том, чтобы услышать среди “шума” информации нужный им сигнал.
Например, рождение бозона Хиггса — не слишком редкое явление. Но его трудно уловить среди других осколков от столкновения протонов. Поэтому ученые искали признаки частицы, которая ведет себя именно как хиггсовский бозон: рождается в нужных условиях, распадается на определенные частицы и влияет на другие частицы именно так, как и положено бозону Хиггса.
В основном опыты позволили понять, что происходит в частных случаях Стандартной модели, при очень экзотических условиях. Например, изучить свойства кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, которое достигается при очень высоких энергиях (и, как считается, заполняло Вселенную в первые мгновения ее жизни).
Кроме того, эксперименты помогли лучше понять устройство элементарных частиц. Так, в 2015 году физики получили пентакварки — частицы, состоящие из пяти кварков вместо обычных двух (мезоны) или трех (барионы). Кварки — это строительные блоки, из которых состоят все известные нам элементарные частицы. Их существование еще в 90-х годах предположили ученые из Петербургского института ядерной физики, но получить их экспериментально не удавалось.
Выяснение того, как на самом деле устроены пентакварки, являются они составными или цельными, поможет лучше понять принципы устройства материи. Это приближает ученых к решению фундаментальной загадки: почему в природе не существует стабильных многокварковых частиц. Очевидной причины, по которой нельзя было бы сформировать аналог протона — скажем, из шести кварков, — теоретики назвать пока не могут.
До сих пор результаты экспериментов на БАК укладывались в Стандартную модель. Однако у нее есть ограничения.
Данные некоторых экспериментов уже дали результаты, которые невозможно объяснить Стандартной моделью.
Например, модель предсказывала, что так называемые красивые кварки должны с одинаковой вероятностью распадаться на электроны и мюоны. Но оказалось, что это происходит только в 85% случаев. Ученые предполагают, что здесь действует неизвестный фактор. Возможно, какой-то новый вид фундаментальных взаимодействий.
Еще одна большая загадка — существование суперсимметрии. Сторонники теории Великого объединения считают, что различные фундаментальные взаимодействия — это проявления одного, более общего, взаимодействия. Оно должно проявляться только при энергиях, во много раз превосходящих возможности современных ускорителей. Но анализ экспериментальных результатов все равно может дать некоторые подсказки.
С помощью БАК физики хотят создать условия, подобные тем, что существовали в ранней Вселенной. Если теория верна, во время таких экспериментов должны возникнуть особые суперсимметричные частицы (например, фотино — супер-партнер фотона). После модернизации мощность коллайдера может вырасти в десять раз.
А это значит, что шансы получить такое событие возрастают.
Возможно, обнаружение суперсимметричных частиц поможет понять и природу темной материи. Это материя, которая не испускает электромагнитного излучения, но влияет на движение планет, звезд, галактик, скоплений галактик. Темной материи в четыре раза больше, чем обычной, но Стандартная модель ее просто не учитывает. Частицы суперпартнеров как раз и могут быть потенциальными кандидатами на роль элементов темной материи.
В Саратовском Политехе запустят Инжиниринговый центр аддитивных технологий
К практической реализации инновационного проекта планируется привлекать ученых вуза, экспертов, предприятия-партнеры технического университета
Читать полностью
Большой адронный коллайдер: все, что вам нужно знать
Большой адронный коллайдер занимает круглый подземный туннель длиной почти 17 миль (27 километров). (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images) Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире.
Он расположен в европейской лаборатории физики элементарных частиц CERN в Швейцарии.
БАК был перезапущен 22 апреля 2022 года после трех лет технического обслуживания и модернизации. Ожидается, что запуск 3 начнется 5 июля, через день после 10-летия открытия бозона Хиггса.
Ученые используют БАК для проверки теоретических предсказаний физики элементарных частиц, особенно тех, которые связаны со “Стандартной моделью”. Хотя Стандартная модель может объяснить почти все результаты в физике элементарных частиц, некоторые вопросы остаются без ответа, например, что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? LHC призван помочь ответить на такие вопросы.
БАК может воспроизвести условия, существовавшие в течение одной миллиардной доли секунды после Большого Взрыва. Колоссальный ускоритель позволяет ученым сталкивать высокоэнергетические субатомные частицы в контролируемой среде и наблюдать за взаимодействием. Один из самых значительных прорывов LHC произошел в 2012 году с открытием бозона Хиггса.
Связанный: Бозон Хиггса мог предотвратить коллапс нашей Вселенной в Швейцарии.
Недавний пример произошел в январе 2022 года, когда ученые ЦЕРНа объявили о «доказательствах наличия X-частиц в кварк-глюонной плазме, образующейся на Большом адронном коллайдере». За этим техноязыком скрывается сногсшибательный факт, что ЦЕРН удалось воссоздать ситуацию, которая не происходила естественным путем через несколько микросекунд после Большого взрыва.
Когда начнется запуск 3, мы можем ожидать целую волну новых открытий, так что самое время поближе взглянуть на то, что делает БАК и весь ЦЕРН такими уникальными.
Что такое Большой адронный коллайдер?
БАК — это ускоритель частиц — устройство, которое контролируемым образом разгоняет субатомные частицы до огромных энергий, чтобы ученые могли изучать получающиеся взаимодействия, согласно информационному бюллетеню ЦЕРН БАК (открывается в новой вкладке). «Большой», что обозначает буква L, — это преуменьшение; LHC на сегодняшний день является самым большим ускорителем в мире, занимая кольцевой туннель почти 17 миль (27 километров) в окружности.
Средняя буква H означает «адрон», общее название составных частиц LHC, таких как протоны, которые состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Наконец, C означает «коллайдер» — БАК ускоряет два пучка частиц в противоположных направлениях, и все действие происходит, когда лучи сталкиваются.
Как и все физические эксперименты, БАК предназначен для проверки теоретических предсказаний — в данном случае так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц — и проверки наличия в них пробелов. Как бы странно это ни звучало, физики жаждут найти несколько дыр в Стандартной модели, потому что некоторые вещи, такие как темная материя и темная энергия, не могут быть объяснены до тех пор, пока они этого не сделают.
Открытия и история Большого адронного коллайдера
БАК сталкивает частицы друг с другом на высоких скоростях, создавая каскад новых частиц, включая печально известный бозон Хиггса. (Изображение предоставлено: Ket4up через Getty Images) Важнейшим событием для LHC стало открытие бозона Хиггса в 2012 году.
Несмотря на то, что его часто называют «частицей Бога», на самом деле он сам по себе не так уж удивителен, как можно было бы предположить из этого названия. Его огромное значение было связано с тем, что это было последнее предсказание Стандартной модели, которое еще не было доказано. Но бозон Хиггса — далеко не единственное открытие БАК.
Согласно физическому журналу CERN Courier , БАК также обнаружил около 60 ранее неизвестных адронов, представляющих собой сложные частицы, состоящие из различных комбинаций кварков. Тем не менее, все эти новые частицы по-прежнему находятся в рамках Стандартной модели, которую БАК изо всех сил пытался выйти за пределы , к большому разочарованию многих ученых, посвятивших свою карьеру работе над альтернативными теориями.
Связанный: 10 ошеломляющих вещей, которые вы должны знать о квантовой физике
Первые дразнящие намеки на то, что прорыв может быть не за горами, появились в 2021 году, когда анализ данных БАК выявил закономерности поведения это указывало на небольшие, но определенные отклонения от Стандартной модели.
Согласно ЦЕРН, БАК открылся для работы в 2009 году, но история ЦЕРН уходит гораздо дальше. Организация была создана в 1954 по рекомендации Европейского совета по ядерным исследованиям — или Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire на французском языке, от которого он получил свое название. Между его созданием и открытием LHC ЦЕРН был ответственен за серию новаторских открытий, включая слабые нейтральные токи, легкие нейтрино и бозоны W и Z. Как только БАК снова заработает, мы можем ожидать продолжения открытий.
Запуск 3: чего ожидать
Как следует из названия, запуск 3 — это третий научный запуск БАК, который начнется 5 июля 2022 года. Он будет основан на открытиях, сделанных БАК во время запуска 1 (2009 г.)-2013) и запуск 2 (с 2015 по 2018 год) и проводить эксперименты до 2024 года.
На пороге новой физики ученые стремятся использовать новые усовершенствования БАК для исследования бозона Хиггса, исследования темной материи и, возможно, расширить наше понимание стандартной модели, ведущей теории, описывающей все известные фундаментальных сил и элементарных частиц во Вселенной.
С помощью новых обновлений ЦЕРН увеличил мощность инжекторов БАК, которые подают в коллайдер пучки ускоренных частиц. Во время предыдущего отключения в 2018 году коллайдер мог ускорять лучи до энергии 6,5 тераэлектронвольт, и это значение было увеличено до 6,8 тераэлектронвольт9.0049 согласно заявлению CERN (откроется в новой вкладке).
Для справки: один тераэлектронвольт эквивалентен 1 триллиону электронвольт (электронвольт, единица энергии, эквивалентен работе, совершаемой электроном при ускорении при потенциале в один вольт).
Для увеличения энергии пучки протонов до такого экстремального уровня, «тысячи сверхпроводящих магнитов, поля которых направляют лучи по их траектории, должны привыкнуть к гораздо более сильным токам после длительного периода бездействия в течение LS2 (откроется в новой вкладке)», — говорится в том же заявлении ЦЕРН. Приведение оборудования в соответствие с этой модернизацией — это процесс, который ЦЕРН называет «магнитной тренировкой» и который состоит из примерно 12 000 отдельных тестов.
С Магниты БАК «обучены», а протонные пучки стали более мощными, чем когда-либо, БАК сможет создавать столкновения при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде, расширяя возможности того, что могут обнаружить ученые, использующие модернизированное оборудование
После завершения запуска 3 в 2024 году , ученые ЦЕРН закроют его для еще одного запланированного капитального ремонта, который будет включать в себя дополнительные обновления массивного ускорителя частиц.После завершения эти обновления позволят ученым переименовать БАК в «Большой адронный коллайдер высокой светимости», как только он снова откроется в 2028 году.0003
Как работает Большой адронный коллайдер?
Представленный здесь компактный мюонный соленоид (CMS) может захватывать изображения частиц до 40 миллионов раз в секунду. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)(открывается в новой вкладке)
Каким бы огромным он ни был, БАК не может функционировать без помощи других машин вокруг него.
Согласно отчету CERN LHC, прежде чем частицы, которые обычно являются протонами, но для некоторых экспериментов гораздо более тяжелыми ионами свинца, вводятся в него, они проходят через цепочку меньших ускорителей, которые постепенно увеличивают их скорость. . Меньше — это просто относительный термин; последний шаг в цепочке инжектора, суперпротонный синхротрон, имеет окружность почти 4,3 мили (6,9км). В результате два луча движутся в противоположных направлениях вокруг БАК практически со скоростью света, согласно ЦЕРН .
Лучи удерживаются на своих круговых траекториях сильным магнитным полем, которое искривляет траекторию электрически заряженных частиц. В четырех точках обширного кольца БАК противоположные лучи собираются вместе и сталкиваются, и именно здесь происходит вся научная деятельность.
Похожие истории:
Частицы сталкиваются с такими огромными энергиями, что столкновения создают каскад новых частиц, большинство из которых чрезвычайно короткоживущие. Для ученых важно выяснить, что представляют собой все эти частицы, а это непростая задача.
Для этой цели на БАК имеется множество сложных детекторов частиц (открывается в новой вкладке), каждый из которых состоит из слоев поддетекторов, предназначенных для измерения определенных свойств частиц или поиска определенных типов частиц. Например, калориметры измеряют энергию частицы, а кривая траектории движения частицы в магнитном поле дает информацию об ее электрическом заряде и импульсе.
Две из четырех точек столкновения по окружности БАК заняты большими детекторами общего назначения. К ним относится компактный мюонный соленоид (CMS) (откроется в новой вкладке), который можно рассматривать как гигантскую 3D-камеру, делающую снимки частиц до 40 миллионов раз в секунду.
Пути частиц внутри детектора контролируются гигантским электромагнитом, называемым соленоидом. Несмотря на вес 12 500 метрических тонн, он довольно компактен, как следует из названия детектора. Это среднее слово, мюон, относится к неуловимой частице, похожей на электрон, но гораздо более массивной, что требует набора поддетекторов, обернутых вокруг соленоида.
Другой универсальный детектор БАК, ATLAS (тороидальный аппарат БАК) , имеет такое же назначение, что и CMS, но отличается конструкцией детектора, подсистем и магнитов. Он также менее компактен, чем CMS, и занимает больший объем, чем любой другой когда-либо созданный детектор частиц.
Эксперименты на Большом адронном коллайдере
Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)Во многих наиболее важных экспериментах БАК, включая открытие бозона Хиггса, используются детекторы общего назначения ATLAS и CMS. Но у него также есть несколько других более специализированных детекторов, которые можно использовать в определенных типах экспериментов.
Передовой детектор LHC , расположенный недалеко от точки взаимодействия ATLAS, использует частицы, выбрасываемые вперед при столкновениях, как средство имитации космических лучей в лабораторных условиях.
Далее по траектории луча проходит эксперимент прямого поиска (FASER) (откроется в новой вкладке), предназначенный для поиска легких слабо взаимодействующих частиц, которые, вероятно, ускользнут от более крупных детекторов.
Третий эксперимент, оптимизированный для прямого направления, — это измерение полного упругого и дифракционного сечения (TOTEM) (открывается в новой вкладке), расположенное рядом с точкой взаимодействия CMS, которое фокусируется на физике самих протонов высокой энергии.
Помимо ATLAS и CMS, у LHC есть еще две точки взаимодействия. Один из них занят Экспериментом на большом ионном коллайдере (ALICE) (открывается в новой вкладке), специализированным детектором для физики тяжелых ионов. В последней точке взаимодействия находятся два эксперимента на самом переднем крае физики: LHCb (открывается в новой вкладке), посвященный физике экзотического «кварка красоты», и MoEDAL — детектор монополя и экзотики (открывается в новой вкладке). ) на БАК.
LHC и бозон Хиггса
Согласно CERN, когда физики выдвигают новые теории, они всегда стараются убедиться, что их можно проверить экспериментально.
Это произошло в начале 1960-х, когда Питер Хиггс и другие разработали теорию, объясняющую, почему некоторые частицы-переносчики взаимодействия имеют ненулевую массу.
Теория предсказала существование ранее неизвестной частицы, получившей название бозона Хиггса. Следующим шагом было найти бозон Хиггса и таким образом подтвердить теорию. Как бы просто это ни звучало, это привело к многолетней охоте по всему миру. Конец, наконец, наступил в 2012 году, когда данные с БАК — в частности, из комбинации измерений ATLAS и CMS — вне всяких сомнений доказали, что бозон Хиггса был открыт.
Многочисленные эксперименты ЦЕРНа
Ученые все еще пытаются понять, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. (Изображение предоставлено: sakkmesterke через Getty Images)(открывается в новой вкладке)
Одной из ключевых загадок Вселенной является поразительная асимметрия между материей и антиматерией — почему она содержит гораздо больше первой, чем второй.
Согласно теории Большого взрыва, Вселенная должна была начаться с равных количеств обоих. Однако очень рано, вероятно, в течение первой секунды, практически вся антиматерия исчезла, и осталась только нормальная материя, которую мы видим сегодня. Эта асимметрия получила техническое название «CP-нарушение», и ее изучение является одной из основных целей эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере.
Все адроны состоят из кварков, но LHCb предназначен для обнаружения частиц, включающих особенно редкий тип кварков, известный как «красота». Изучение CP-нарушения в частицах, содержащих красоту, является одним из наиболее многообещающих способов пролить свет на возникновение асимметрии материи и антиматерии в ранней Вселенной.
Охота за экзотическими частицами
В той же подземной пещере, что и LHCb, находится меньший инструмент под названием MoEDAL, что означает «Детектор монополя и экзотики на БАК». В то время как большинство экспериментов ЦЕРНа предназначены для изучения известных частиц, этот эксперимент направлен на обнаружение до сих пор неизвестных частиц, лежащих за пределами существующей Стандартной модели.
Монополем, например, была бы намагниченная частица, состоящая только из северного полюса без южного, или наоборот. Такие частицы давно предполагались, но никогда не наблюдались.
Целью MoEDAL является поиск любых монополей, которые могут образоваться в результате столкновений внутри БАК. Он также потенциально может обнаруживать определенные «стабильные массивные частицы», которые предсказываются теориями, выходящим за рамки Стандартной модели. Если удастся найти любую из этих частиц, MoEDAL может помочь решить фундаментальные вопросы, такие как существование других измерений или природа темной материи.
Наука о климате
Помимо БАК, в ЦЕРН есть другие объекты, которые проводят не менее важные исследования. Связывание физики элементарных частиц с наукой о климате может быть неочевидным шагом, но это то, что делает один эксперимент на протонном синхротроне в ЦЕРНе. Это меньший и менее сложный ускоритель, чем БАК, но он все же способен выполнять полезную работу.
Климатический эксперимент называется ОБЛАКО, что дает четкое представление о том, о чем идет речь, хотя название расшифровывается как «Космос, оставляющий наружные капли» .
Земля находится под постоянной бомбардировкой космическими лучами, и было высказано предположение, что они играют роль в формировании облаков, засеивая крошечные капельки воды. Изучать в реальной атмосфере с настоящими космическими лучами непросто, поэтому ЦЕРН создает свои собственные космические лучи с помощью ускорителя. Затем их запускают в искусственную атмосферу, где их эффекты можно изучить более подробно.
Создание антиматерии
Антиматерия часто появляется в высокоэнергетических ускорителях ЦЕРН как половина пары частица-античастица. Но при обычном ходе событий античастицы не существуют долго, прежде чем они аннигилируют при столкновениях с обычными частицами.
Если вы хотите создать антивещество, которое будет существовать достаточно долго для детального изучения, вам понадобится нечто большее, чем просто ускоритель. Именно здесь вступает в действие уникальная «фабрика антивещества» ЦЕРН. Она берет античастицы, созданные в протонном синхротроне, и замедляет их до управляемых скоростей в том, что фактически является полной противоположностью ускорителя частиц: антипротонным замедлителем.
Полученные «антиатомы» затем можно изучать с помощью ряда инструментов, таких как AEGIS (эксперимент с антиводородом: гравитация, интерферометрия и спектроскопия).
Один из вопросов, на который AEGIS вскоре сможет ответить, заключается в том, падает ли антивещество в гравитационном поле вниз, как обычное вещество, или вверх в противоположном направлении.
Опасен ли Большой адронный коллайдер?
БАК иногда называют физикой «высоких энергий», но это только высокие энергии на субатомном уровне. (Изображение предоставлено: mesut zengin через Getty Images) По разным причинам на протяжении многих лет люди предполагали, что эксперименты в CERN могут представлять опасность для общественности. К счастью, такие опасения беспочвенны. Возьмем, к примеру, букву N в CERN, что означает «ядерный», согласно UK Research and Innovation (UKRI). Это не имеет ничего общего с реакциями внутри ядерного оружия, которые включают обмен протонами и нейтронами внутри ядер.
Исследования ЦЕРН находятся на еще более низком уровне, чем этот, в отношении составляющих самих протонов и нейтронов. Иногда ее называют физикой «высоких энергий», но энергии считаются «высокими» только в субатомном масштабе. Частицы внутри БАК, например, обычно обладают энергией комара, согласно отчету о безопасности Группы оценки безопасности БАК .
Люди также обеспокоены тем, что БАК может создать «мини-черную дыру», но даже если это произойдет — что маловероятно — она будет невероятно крошечной и настолько нестабильной, что исчезнет за долю секунды, согласно исследованию. отчет по безопасности. отчет.
За пределами Большого адронного коллайдера
Спустя 12 лет после ввода в эксплуатацию БАК по-прежнему остается самым большим и мощным ускорителем частиц в мире. Но он не будет держать этот рекорд вечно. Несколько стран имеют планы сделать еще один шаг вперед, в том числе круговой электронно-позитронный коллайдер в Китае и Международный линейный коллайдер в Японии.
Европейское предложение – круговой коллайдер будущего (FCC), который будет построен рядом с LHC в ЦЕРНе, но будет казаться карликовым по размеру. Несмотря на то, что он еще не одобрен с финансовой точки зрения — ориентировочная стоимость составляет 20 миллиардов фунтов стерлингов (27 миллиардов долларов США), — по данным Physics World (открывается в новой вкладке), проект хорошо проработан.
FCC будет иметь окружность 62 мили (99 км) и располагаться рядом с LHC, который он будет использовать в качестве инжектора частиц, в конечном итоге достигая энергии в семь раз большей, чем у его предшественника.
Вопросы и ответы с ученым ЦЕРН Кларой Неллист
Физик элементарных частиц и научный коммуникатор.Доктор Неллист работает над экспериментом ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.
Мы обсуждаем, каково это работать с крупнейшим в мире ускорителем частиц.
Как вы пришли к участию в эксперименте ATLAS?
Я начал работать с ATLAS для своей докторской диссертации.
Я разрабатывал новые пиксельные датчики, чтобы улучшить измерение частиц, когда они проходят через наш детектор. Очень важно сделать их устойчивыми к радиационному повреждению, что является большой проблемой, когда вы размещаете датчики близко к месту столкновения частиц. С тех пор у меня была возможность работать над рядом различных проектов, таких как понимание того, как бозон Хиггса и топ-кварк взаимодействуют друг с другом. Теперь я применяю алгоритмы машинного обучения к нашим данным, чтобы искать намеки на темную материю. Одна из самых больших загадок в физике сейчас заключается в том, что составляет 85% материи в нашей Вселенной? Мы называем это темной материей, но на самом деле мы мало о ней знаем!
Каково работать с такой уникальной и мощной машиной?
Удивительно иметь возможность работать над этой невероятно сложной машиной с людьми со всего мира. Один человек не может управлять всем этим, поэтому каждая команда становится экспертом в своей конкретной части.
Когда мы все работаем вместе, мы можем делать открытия о мельчайших строительных кирпичиках нашей вселенной.
Есть ли какие-нибудь интересные новые разработки, которых вы особенно ждете?
В этом году мы снова запускаем Большой адронный коллайдер, так что я очень рад увидеть, что мы можем с его помощью найти. Часть нашей работы состоит в том, чтобы максимально подробно изучить частицы, о которых мы уже знаем, чтобы проверить, соответствуют ли наши теории тому, что мы измеряем. Но мы также ищем совершенно новые частицы, которых никогда раньше не видели. Если мы найдем что-то новое, это может быть кандидат на темную материю или что-то совершенно неожиданное.
Дополнительные ресурсы
Вы можете совершить виртуальную экскурсию по Большому адронному коллайдеру с Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN), который дает вам 360-градусный обзор коллайдера. Вы также можете просматривать состояние Большого адронного коллайдера в режиме реального времени с помощью инструмента CERN Vistar (откроется в новой вкладке).
Узнайте о том, что ускорители частиц сделали для нас, в этой интересной статье (открывается в новой вкладке) от Physics World. По всему миру существует множество ускорителей частиц. Полный список примеров можно найти на этом ресурсе Института физики Боннского университета (откроется в новой вкладке), Германия.
Библиография
- Сирунян А.М. и др. «Доказательства наличия X (3872) в столкновениях Pb-Pb и исследования его быстрого образования при s N N = 5,02 ТэВ (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 128.3 (2022): 032001.
- Aaij, Roel, et al. . «Проверка универсальности лептона в распадах красивых кварков (открывается в новой вкладке)» препринт arXiv arXiv: 2103.11769 (2021 г.).
- Группа оценки безопасности LHC «Обзор безопасности столкновений LHC (откроется в новой вкладке)».
- Группа по оценке безопасности LHC «Обзор приложения о безопасности столкновений LHC о странных летательных аппаратах (откроется в новой вкладке)». Июнь 2008 г.
- Гиддингс, Стивен Б. и Микеланджело Л. Мангано. «Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВного масштаба (открывается в новой вкладке)» Physical Review D 78.3 (2008): 035009.
- Аад, Джорджес и др. «Эксперимент ATLAS на большом адронном коллайдере ЦЕРН (открывается в новой вкладке)» Журнал приборостроения 3.S08003 (2008 г.).
- Димопулос, Савас и Грег Ландсберг. «Черные дыры на большом адронном коллайдере (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 87.16 (2001): 161602.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Эндрю Мэй имеет докторскую степень. Он получил степень бакалавра астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем, где он писал для Fortean Times, How It Works, All About Space, BBC Science Focus и других.
Он также написал ряд книг, в том числе «Космическое воздействие» и «Астробиология: поиск жизни в другом месте во Вселенной», изданные издательством Icon Books.
Что такое Большой адронный коллайдер и для чего он нужен?
Иногда ученым нужна причина, чтобы идти быстро. Интересно, что это делается не только для удовольствия и не только для удовлетворения глубоко укоренившейся потребности в скорости. Ускорение частиц является важной частью научного процесса во многих различных дисциплинах. В науке ускоритель частиц — это машина, предназначенная для увеличения скорости заряженных частиц и последующего направления этих частиц в пучок. В процессе исследования ученые будут направлять луч частиц к цели, чтобы они могли наблюдать за атомами, молекулами, законами физики и тем, как на все они воздействует луч.
Одним из таких ускорителей частиц является Большой адронный коллайдер (БАК). По сути, LHC функционирует как самый мощный ускоритель частиц в мире. Но какова цель LHC? Чем он занимается и каковы его цели на будущее? Давайте разберем все это ниже.
Что такое Большой адронный коллайдер?
Большой адронный коллайдер функционирует как самое большое и высокоэнергетическое творение в своем роде. Имея 17 миль в окружности и почти 600 футов (или 100 метров) под землей, БАК представляет собой особый тип ускорителя частиц, называемый коллайдером. Это означает, что БАК сталкивает два пучка частиц вместе, а затем ученые наблюдают за результатами. После столкновения ученые наблюдают за работой атомов, молекул и законов физики.
Он был построен в период с 1998 по 2008 год с помощью более 10 000 ученых из более чем 100 стран и бесчисленных университетов и лабораторий по всему миру. Европейская организация ядерных исследований (или ЦЕРН) построила ускоритель недалеко от Женевы, прямо под границей между Францией и Швейцарией.
БАК ЦЕРН имеет четыре разных точки пересечения на протяжении 17 миль. В этих точках пересечения происходят столкновения ускоренных частиц. Вокруг этих точек пересечения размещены семь различных детекторов, каждый из которых специально предназначен для наблюдения и обнаружения определенного явления.
Что делает Большой адронный коллайдер?
Большой адронный коллайдер функционирует как сложная серия машин, каждая из которых имеет возрастающее количество энергии. В начале 1980-х ученые начали размышлять о том, как мог бы выглядеть преемник Большого электронно-позитронного коллайдера (а LEP еще даже не был запущен!). Эти ранние предположения о БАК оставались в тени до конца 1994 и начала 1995 года, когда Совет ЦЕРН приступил к планированию. К концу 1995, у них был отчет о техническом проекте. К 1998 году началось строительство.
Но что именно делает Большой адронный коллайдер? Хотя теоретики заговора хотели бы, чтобы вы поверили, что его цель — открыть портал в другой мир, на самом деле он гораздо более обоснован. Проще говоря, БАК облегчает столкновения протонных пучков. Помимо этого, LHC также позволяет ускорять пучки тяжелых ионов.
Цель БАК — дать возможность физикам проверить предсказания различных теорий физики элементарных частиц. Коллайдеры, такие как LHC, созданы для ускорения частиц до максимально возможной кинетической энергии, а затем позволяют им сталкиваться с другими частицами.
Взгляд на последствия этих столкновений позволяет ученым исследовать структуру субатомного мира и, в большей степени, сами законы природы. (Портал не нужен.)
Какова цель Большого адронного коллайдера?
Большой адронный коллайдер ЦЕРН может показаться не таким уж важным в грандиозной схеме вещей, но правда в том, что БАК существует для того, чтобы находить ответы на некоторые из самых фундаментальных открытых вопросов в области физики. Открытия, сделанные на БАК, могут решить некоторые из самых давних вопросов о пространстве и времени, квантовой механике и даже общей теории относительности.
Вот некоторые из конкретных вопросов, на которые ученые надеются ответить.
Откуда берется масса?
В попытке сделать открытия о происхождении массы ученые надеются, что БАК позволит им дополнительно изучить теорию бозона Хиггса — частицы, которая дает массу.
Существуют ли доказательства суперсимметрии?
Суперсимметрия — это теория, которая предполагает, что стандартные частицы, известные в настоящее время человечеству, на самом деле превосходят возможное существование гораздо более крупных частиц. Если БАК сможет найти доказательства суперсимметрии, это может помочь объединить фундаментальные силы.
Где вся антиматерия?
Если и материя, и антиматерия были созданы во время Большого взрыва, то почему материи больше, чем антиматерии? Мы знаем, что энергия не может быть создана или уничтожена, поэтому, если это верно для энергии, это должно быть верно для материи и антиматерии. Возможно, БАК поможет раскрыть больше этой теории.
Откуда берутся темная материя и темная энергия?
Частицы, которые ученые знают и наблюдают сегодня, составляют лишь около 4% известной Вселенной. Ведутся неустанные поиски частиц темной материи и темной энергии, и БАК может помочь разблокировать этот поиск, не говоря уже об исследованиях происхождения черной дыры и червоточины.
Чего уже добился Большой адронный коллайдер?
С момента завершения строительства в 2008 году Большой адронный коллайдер прошел два успешных запуска: один в период с 2010 по 2013 год, а другой в период с 2015 по 2018 год. Каждый из этих двух запусков сопровождался собственным набором открытий и достижений.
Первый запуск (2010-2013 гг.)
- Установлен мировой рекорд по интенсивности пучка
- Содействие первым столкновениям при энергии 8 тетраэлектронвольт (ТэВ)
- Открытие бозона Хиггса
- Достигнуто более миллиона миллиардов столкновений
Второй запуск (2015-2018)
- Содействие первым столкновениям при 13 ТэВ
- Столкновение ионов ксенона в попытке раскрыть тайну кварк-глюонной плазмы бозон Хиггса
- Достигнуто более 16 миллионов миллиардов столкновений
Куда дальше денется Большой адронный коллайдер?
В то время как его два запуска в 2010-2013 и 2015-2018 годах уже зарегистрированы, Большой адронный коллайдер только что начал третий запуск в апреле 2022 года.
путь к 2026 году. Каковы цели этого третьего запуска?
Третий запуск (2022-2026)
- Дальнейшие исследования кварк-глюонной плазмы
- Дополнительные исследования бозона Хиггса
- Продолжение исследований субатомных законов физики червоточина
Будущие обновления
После завершения третьего запуска в 2026 году ЦЕРН планирует модернизировать LHC с помощью модернизации с высокой светимостью. Это позволит увеличить их до 14 ТэВ и более, не говоря уже о том, что ученые получат возможность разблокировать еще более редкие открытия и измерения. (И, если верить этим конспирологам, возможно, даже открыть портал в другой мир?)
Что такое Большой адронный коллайдер и для чего он нужен? FAQs (Часто задаваемые вопросы)
Что такое Большой адронный коллайдер?
Большой адронный коллайдер (он же БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц на планете.
Какие частицы ускоряет Большой адронный коллайдер?
БАК обычно ускоряет протоны.
Где находится Большой адронный коллайдер?
БАК имеет длину около 17 миль (или 27 километров) и около 600 миль (или 100 метров) под границей Франции и Швейцарии.
Насколько горяч Большой адронный коллайдер?
Температура на БАК достигла 9,9 триллионов градусов по Фаренгейту, что горячее, чем взрыв сверхновой.
Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает?
БАК — самый большой и мощный ускоритель частиц из когда-либо созданных. Он работает, ускоряя частицы и направляя их в лучи, затем сталкивая их и наблюдая за результатами.
Что пытается доказать адронный коллайдер?
БАК пытается доказать, что делает нашу Вселенную стабильной и какие частицы придают нашей Вселенной ее массу, среди бесчисленных других тайн, которые только и ждут, чтобы их разгадали.
Что сделал адронный коллайдер?
Среди многих достижений БАК, пожалуй, самым известным и заметным является открытие частицы бозона Хиггса.
Для чего был создан адронный коллайдер?
БАК был создан, чтобы попытаться найти ответы на некоторые из самых насущных вопросов физики элементарных частиц.
Может ли Большой адронный коллайдер уничтожить мир?
Что произойдет, если адронный коллайдер взорвется?
Если БАК взорвется, он, вероятно, создаст кратер около тысячи футов глубиной и около трех миль шириной.
Насколько безопасен адронный коллайдер?
LHC невероятно безопасен и проходит обширное техническое обслуживание и модернизацию в промежутках между запусками, чтобы обеспечить высокий уровень безопасности.
Большой адронный коллайдер нашел дополнительные измерения?
Нет, никаких дополнительных измерений БАК не обнаружил. Однако это не значит, что этого не будет в будущем.