Для чего нужен адронный коллайдер простым языком: Большой адронный коллайдер — главный инструмент современных физиков

Простым языком об элементарных частицах, коллайдере и частице Бога.: vnarod — LiveJournal

Интересная статья

Недавно физикам, наблюдавшим за очередным экспериментом, проходившем в Большом адронном коллайдере, наконец-то удалось найти следы бозона Хиггса, или, как его называют многие журналисты, “божественной частицы”. Это значит, что постройка коллайдера себя полностью оправдала — ведь его сделали именно для того, чтобы поймать этот неуловимый бозон.

Физики, работающие на Большом адронном коллайдере с помощью детектора CMS впервые зафиксировали рождение двух Z-бозонов — один из типов событий, которые могут быть свидетельством существования “тяжелого” варианта бозона Хиггса. Если быть совсем точным, то 10 октября детектор CMS впервые обнаружил появление четырех мюонов. Предварительные результаты реконструкции позволили ученым интерпретировать это событие как кандидата в рождение двух нейтральных калибровочных Z-бозонов.

Думаю, сейчас нам следует немножко отвлечься и поговорить о том, что такое эти мюоны, бозоны и прочие элементарные частицы. Согласно стандартной модели квантовой механики весь мир состоит из различных элементарных частиц, которые, контактируя друг с другом, порождают все известные типы массы и энергии.

Все вещество, например, состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов, таких как электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино и 6 кварков (u, d, s, c, b, t), которые можно объединить в три поколения фермионов. Фермионы — это частицы, которые могут находиться в свободном состоянии, а кварки — нет, они входят в состав других частиц, например хорошо известных всем протонов и нейтронов.
При этом каждая из частиц участвует в определенном типе взаимодействий, которых, как мы помним, всего четыре: электромагнитное, слабое (взаимодействие частиц при β-распаде ядра атомов), сильное (оно как бы скрепляет атомное ядро) и гравитационное. Последнее, результатом которого является, например, земное притяжение, стандартной моделью не рассматривается, поскольку гравитон (частица, обеспечивающая его) до сих пор не найден.

С остальными типами все проще — частицы, которые в них участвуют, физики знают “в лицо”. Так, например, кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.

Однако кроме этих “массовых” частиц есть еще и так называемые виртуальные частицы, некоторые из которых (например, фотон) вообще не обладают массой. Честно говоря, виртуальные частицы — это в большей степени математическое явление, чем физическая реальность, поскольку их до сих пор никто никогда не “видел”. Однако в разных экспериментах физики могут заметить следы их существования, поскольку оно, увы, весьма недолговечно.

Что же это за такие интересные частички? Они рождаются только в момент какого-нибудь взаимодействия (из описанных выше), после чего либо распадаются, либо поглощаются какой-нибудь из фундаментальных частиц. Считается, что они как бы “переносят” взаимодействие, то есть, контактируя с фундаментальными частицами, изменяют их характеристики, благодаря чему взаимодействие, собственно говоря, и происходит.

Так, например, при электромагнитных взаимодействиях, которые изучены лучше всего, электроны постоянно поглощают и испускают виртуальные безмассовые частицы фотоны, в результате чего свойства самих электронов несколько изменяются и они становятся способными на такие подвиги, как, например, направленное движение (то есть электрический ток), или “перескок” на другой энергетический уровень (как это происходит при фотосинтезе у растений). Так же виртуальные частицы работают и при других типах взаимодействий.

Современной физике кроме фотона известны также еще два типа виртуальных частиц, получивших название бозонов и глюонов. Для нас сейчас особенно интересны бозоны — считается, что при всех взаимодействиях фундаментальные частицы постоянно обмениваются ими и тем самым оказывают воздействие друг на друга. Сами бозоны при этом считаются безмассовыми частицами, хотя некоторые эксперименты показывают, что это не совсем так — W- и Z-бозоны могут получать массу на короткое время.

Одним из самых таинственных бозонов является тот самый бозон Хиггса, для обнаружения следов которого, собственно говоря, и был построен Большой адронный коллайдер. Считается, что эта загадочная частица является одной из самых распространенных и важных бозонов во Вселенной.

Еще в 1960-е годы английский профессор Питер Хиггс предложил гипотезу, согласно которой все вещество, имеющееся во Вселенной, создано при взаимодействии различных частиц с некоей исходной первоосновой (получившейся в результате Большого взрыва), которую позже назвали в честь него. Он выдвинул предположение, что Вселенная пронизана незримым полем, проходя сквозь которое некоторые элементарные частицы “обрастают” некоторыми бозонами, обретая тем самым массу, другие же, например фотоны, остаются не обремененными весом.

Ученые сейчас рассматривают две возможности — существование “легкого” и “тяжелого” вариантов. “Легкий” Хиггс с массой от 135 до 200 гигаэлектронвольт должен распадается на пары W-бозонов, а если масса бозона составляет 200 гигаэлектронвольт или больше, то на пары Z-бозонов, которые, в свою очередь, порождают пары электронов или мюонов.

Получается, что таинственный бозон Хиггса является как бы “творцом” всего во Вселенной. Может быть, именно поэтому нобелевский лауреат Леон Ледерман как-то раз назвал его “частицей-богом”. Но в средствах массовой информации это высказывание несколько исказили, и оно стало звучать как “частица Бога” или “божественная частица”.

Как же можно получить следы присутствия “частицы-бога”? Считается, что бозон Хиггса может образовываться в ходе столкновений протонов с нейтрино в ускорительном кольце коллайдера. При этом, как мы помним, он должен сразу же распадаться на ряд других частиц (в частности, Z-бозонов), которые могут быть зарегистрированы.

Правда, сами Z-бозоны детекторы зафиксировать не могут из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих элементарных частиц (около 3×10-25 секунды), однако они могут “поймать” мюоны, в которые превращаются Z-бозоны.

Напомню, что мюон — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином ½. В обычных атомах он не встречается, до этого его находили лишь в космических лучах, имеющих скорости, близкие к скорости света. Время жизни мюона весьма невелико — он существует лишь 2,2 микросекунды, а потом распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино.

Искусственным способом мюоны можно получить, столкнув на больших скоростях протон и нейтрино. Однако долгое время не удавалось добиться подобных скоростей. Это удалось сделать лишь при постройке Большого адронного коллайдера.

И вот наконец первые результаты были получены. При эксперименте, который прошел 10 октября нынешнего года, в результате столкновения протона с нейтрино было зафиксировано рождение четырех мюонов. Это доказывает то, что появление двух нейтральных калибровочных Z-бозонов имело место быть (они всегда проявляются при подобных событиях). А значит, существование бозона Хиггса — это не миф, а реальность.

Правда, ученые отмечают, что само по себе это событие не обязательно указывает на рождение бозона Хиггса, поскольку к появлению четырех мюонов могут вести и другие события. Однако это первое из событий такого типа, которые в конце концов могут выдать хиггсовскую частицу. Чтобы с уверенностью говорить о существовании бозона Хиггса в том или ином диапазоне масс, необходимо накопить значительное число подобных событий и проанализировать, как распределены массы рождающихся частиц.

Однако, что ни говори, первый шаг к доказательству существования “частицы-бога” уже сделан. Возможно, дальнейшие эксперименты смогут дать еще больше информации о загадочном бозоне Хиггса. Если ученые смогут наконец-то “поймать” его, то у них получится воссоздать условия, существовавшие 13 миллиардов лет назад после Большого взрыва, то есть те, при которых зарождалась наша Вселенная.

http://www.pravda.ru/science/eureka/discoveries/16-11-2010/1057397-bozonhiggsa-0/

Для чего построили Большой адронный коллайдер (БАК)? Где он находится? Что открыли с помощью него?

Краткое содержание статьи:

• Для чего изначально было нужно это устройство?
• Как это работает?
• Какие цели ставят учёные?
• Что открыли с помощью адронного коллайдера?
• Где находится адронный коллайдер?
• Видео: для чего сделали ускоритель частиц?

 

Каждый человек, независимо от того, интересуется он наукой или нет, наверняка слышал о словосочетание «адронный коллайдер». Однако многие даже примерно не представляют, что делает эта вещь, для чего она нужна и почему считается одним из самых важных открытий мировой физики. В данной статье мы простым и понятным языком расскажем всё, что необходимо знать о самом большом в мире ускорителе частиц.

 

 

Для чего изначально было нужно это устройство?

Как известно, весь наш мир, всё, что нас окружает, состоит из мельчайших частиц, которые принято называть элементарными. Среди них – электроны, протоны и нейтроны, которые находятся в постоянном движении и взаимодействии друг с другом.

 

 

В зависимости от различных факторов особенности их взаимодействия делят на несколько видов:

1. Электромагнитное;
2. Гравитационное;
3. Сильное;
4. Слабое.

Некоторые из этих видов, а именно первый, третий и четвёртый, объединяются между собой квантовой теорией Стандартной модели. Долгое время она являлась вершиной научной мысли, однако современным учёным этого стало недостаточно.

Они решили пойти дальше, и так родилась «теория всего», под которой понимают объединение всех четырёх видов взаимодействий элементарных частиц между собой.

Поначалу эта идея казалась несбыточной и скорее шуткой, чем реальностью. Но позже исследователи заинтересовались мыслью воплотить её в жизнь. Так началась работа над созданием Большого адронного коллайдера.

В этом видео физик Роман Ульянов расскажет, что может произойти, если в БАК возникнет сбой и начнутся неизвестные современной науке процессы:

 

Как это работает?

Что же представляет собой данная установка? И как она работает?

Чтобы ответить на эти вопросы, для начала расскажем, как выглядит адронный коллайдер и из чего он состоит. Итак, в первую очередь, это огромнейшая машина, которая представляет собой закольцованный тоннель. В длину он достигает 26 659 метров, и находится глубоко под землёй – от 50 до 180 метров вниз.

По всему периметру коллайдера равномерно распределены четыре основных детектора огромных размеров, и несколько вспомогательных поменьше. Они предназначаются для отслеживания результатов столкновения частиц.

Говоря простым языком, основные функции этого устройства описываются так:

• Ускорение небольшой группы, или, как называют это учёные, пучка, тех самых элементарных частиц, протонов, нейтронов и электронов, до околосветовой скорости.
• Когда частицы достигают её и находятся рядом с детектором, их сталкивают с другим таким же пучком, несущемся в противоположном направлении.
• Именно момент столкновения и интересен учёным, ведь в это мгновение могут происходить различные вещи, которые потом станут основой для нового научного открытия.

Таким образом, адронный коллайдер призван ответить на вопрос исследователей «а что будет, если…».

Они, используя разные виды частиц и скорости, а также изменяя внешние факторы, проверяют многие из своих теорий для того, чтобы лучше узнать о строении нашего мира.

 

Какие цели ставят учёные?

Несомненно, нельзя говорить, что адронный коллайдер – просто игрушка в руках сумасшедших людей науки, действующим «методом тыка». Перед ними стоят вполне конкретные цели и задачи, которых они планируют достичь с помощью экспериментов.

 

 

Так, основными теориями, над подтверждением или опровержением которых ведётся работа, являются:

1. Стандартная модель строения Вселенной, о которой мы уже писали выше. Она является основной задачей, которую призван решить коллайдер. А именно – доказать её правдивость, либо же найти отклонения от данной версии;
2. Новая физика – теория, неразрывно связанная с предыдущей, так как она вступает в силу, если окажется, что Стандартная модель не способна охватить все аспекты изучаемого окружающего мира;
3. Топ-кварки – самые тяжёлые из открытых ныне элементарных частиц. Их создание, а также детальное изучение откроет учёным новые способы для исследования следующего элемента;
4. Бозон Хиггса, который является основополагающей частицей Стандартной модели;
5. Тёмная материя – самая загадочная составляющая всей нашей Вселенной. На её получение и изучение также направлена большая часть сил.

Кроме того, существуют ещё и множество других задач, которые ставят перед собой исследователи. Многие из них так или иначе непосредственно связаны с вышеперечисленными, а некоторые являются обособленными теориями.

 

Что открыли с помощью адронного коллайдера?

Впервые запуск ускорителя состоялся в 2008 году. С этого момента и до наших дней он постоянно совершенствовался, достраивался и изменялся. Учёные постепенно увеличивают скорость, с которой движутся в нём частицы, однако, по их словам, до сих пор надлежащий уровень, который будет способствовать новым открытиям, ещё не достигнут.

Несмотря на это, за время работы коллайдера уже было сделано многое.

• самым важным достижением стало доказательство существования бозона Хиггса в 2012 году. Его открытие позволит в дальнейшем изучать хиггсово поле, что является ещё одним шагом на пути к подтверждению теории Стандартной модели;
• возможность воспроизведения кварков. Несмотря на то, что данные частицы были открыты в 20-м веке, и в тот же период было доказано их существование, до сих пор не представлялось возможным создать их искусственно. И только благодаря новым экспериментам их удалось воспроизвести;

Помимо этих достижений было совершено и множество других открытий, не менее значимых для науки.

 

Где находится адронный коллайдер?

Огромный ускоритель был построен в Европейском Центре ядерных исследований, который находится ровно на границе между Францией и Швейцарией (по этой ссылке можете перейти на виртуальный тур внутри устройства). Ближайший город, который расположен не так далеко от коллайдера, это Женева.

Несомненно, подобная близость к крупному населённому пункту вызывает некоторые опасения, ведь в лаборатории проводятся далеко не самые безопасные опыты. Данная тема многократно освещалась в средствах массовой информации. Основным опасением является то, что при выходе опытов из-под контроля может образоваться цепная реакция, взрыв от которой способен уничтожить всю планету.

Таким образом, адронный коллайдер нужен для того, чтобы ускорять мельчайшие частицы, из которых состоит весь окружающий нас мир, сталкивать их друг с другом и следить за результатами этих столкновений. Именно они способствуют новым открытиям в области физики.

 

Видео: для чего сделали ускоритель частиц?

В этом ролике физик Борис Денисов расскажет, какова была главная цель создания Большого адронного коллайдера, на какие вопросы удалось ответить с помощью него:

что это и зачем потратили столько усилий и средств на ее открытие?

Краткое содержание статьи:

• Стандартная модель
• В коллайдере найдена частица бозона Хиггса
• Кто он – Питер Хиггс?
• Что это за частица и как проходили поиски?
• Сложность эксперимента и открытие
• Видео: просто о сложном – что такое бозон Хиггса?

 

Существует Стандартная модель, которая описывает строение мира. Одна из составляющих – бозон Хиггса. Простым языком – это элементарная частица, придающая остальным массу другим частицам. Но для чего она необходима? И почему событие в 2012 году вызвало такой резонанс и шум в научных кругах?

 

 

Стандартная модель

Современное описание мира у учёных-физиков называется теория Стандартной модели. В ней указано то, как элементарные частицы взаимодействуют между собой. В науке существует четыре фундаментальных взаимодействия:

 

 

1. Гравитационное.
2. Сильное.
3. Слабое.
4. Электромагнитное.

В Стандартную модель входят только три, гравитационное обладает другой природой. По теории вещество имеет два составляющих:

• Фермионы – 12 штук;
• Бозоны – 5 штук.

О бозоне Хиггса впервые заговорили в 1964 году, но до 2012 года это оставалось только теорией. Учёные склонялись к тому, что этот элемент отвечает за массу остальных частиц.

И вот было доказано экспериментально, что бозон Хиггса – квант поля Хиггса, действительно обеспечивает всему остальному массу.

 

В коллайдере найдена частица бозона Хиггса

Поиски проводились при использовании коллайдера Теватрон (США). В конце 2011 года были обнаружены следы, при распаде на b-кварки, элемент бозона Хиггса. В работе с помощью Большого адронного коллайдера это заметили только через год, в 2012. Столь большой временной промежуток связан с тем, что в последнем встречаются и многие другие элементы.

Затем, чтобы удостовериться в результатах, охоту за бозоном начали проводить и на других устройствах.

В итоге, полувековая теория подтвердилась экспериментально, а свое название бозон получил в честь своего предсказателя и одного из создателей Стандартной модели – Питера Хиггса. В настоящее время физики уверены, что смогли доказать и восполнить недостающее звено из описания строения мира.

 

Кто он – Питер Хиггс?

Всемирно известный британский учёный Питер Хиггс родился 29 мая 1929 года. Его отец был инженером компании BBC.

 

 

Основные факты и периоды жизни:

1. Со школьной скамьи Питер увлекался математикой и физикой, читал лекции и работы популярных научных деятелей.
2. После школы он поступил в Королевский колледж в Лондоне и благополучно его закончил, защитив диссертацию по физике.
3. Начиная с 1960 года учёный активно начал изучать идею Еичиру Намбо о нарушении симметрии у сверхпроводников. Вскоре Питер смог обосновать теорию о наличии у частиц массы. В этой работе он выдвинул теорию об существовании элементарной частицы, которая имеет нулевое вращение, а при контакте с другими, именно она придаёт им массу.
4. Ему же принадлежит открытие механизма, который объясняет нарушение симметрии. Примечательно, что он смог его придумать, когда гулял по горам в районе Эдинбурга. Этот механизм является важным компонентом Стандартной модели.
5. В 2013 году, ещё при жизни, экспериментально было найдено подтверждение его теории и обнаружен элемент с нулевым спином, который и получил название – бозон Хиггса. Сам учёный, давая интервью, говорил о том, что он не надеялся застать этот момент при жизни.
6. Лауреат многих премий, наиболее известные: медаль Дирака, премия Вольфа по физике, Нобелевская премия.

 

 

Что это за частица и как проходили поиски?

Данный бозон искали практически полвека. Это связано с тем, что эксперимент простой в теории, но сложный в действительности. Опыты производились с помощью нескольких аппаратов:

• электрон-позитронный коллайдер;
• теватрон;
• большой адронный коллайдер (БАК).

Но силы и возможности коллайдера было недостаточно. Эксперименты выполняли регулярно, но они не приносили точных результатов. Кроме этого, сам элемент Хиггса тяжёлый, он оставляет только следы распада.

Для опыта были нужны два протона, которые движутся на околосветовой скорости. Затем происходит прямое столкновение. В результате чего они распадаются на составляющие, а те в свою очередь – на второстепенные элементы. Именно здесь должен возникнуть бозон Хиггса.

Главная особенность и препятствие, которое мешало доказать на практике существование поля Хиггса это то, что частица появляется на крайне малый временной промежуток и исчезает. Но оставляет следы, благодаря которым учёные и смогли подтвердить её действительность.

 

Сложность эксперимента и открытие

Сложность эксперимента была не только в том, чтобы вовремя успеть запечатлеть бозон Хиггса, но и суметь его распознать. А это непросто, потому что он распадается на разные части:

1. Кварк-антикварк.
2. W-бозоны.
3. Лептоны.
4. Тау-частицы.
5. Фермионы.
6. Фотоны.

Среди этих составляющих, крайне сложно выделить следы поля Хиггса и даже невозможно. Коллайдер с большой вероятностью фиксирует переход частицы в четыре лептона. Но и тут вероятность составляет всего 0,013%.

В итоге ученые смогли распознать следы нужного бозона и с помощью многочисленных опытов доказать существование. Как и предполагал Питер Х, эта элемент с нулевым спином, область массы-энергии примерно 125 ГэВ. Распадается на пары других составляющих (фотоны, фермионы и прочее) и даёт массу всем остальным частицам.

Открытие, конечно, вызвало шквал сенсаций, но и разочарований, одновременно. Ведь получается, что учёные не смогли выйти дальше границы Стандартной модели, нового витка для изучения и направления науки не появилось. А существующая теория не учитывает некоторые важные моменты: гравитацию, чёрную материю и прочие процессы реальности.

В настоящее время специалисты работают над теорией появления этих явлений и их роли во Вселенной.

После открытия бозона Хиггса учёные вновь возобновили работу над тем, как происходит развитие антивещества до тёмной энергии. А этот элемент является ключевым составляющим этого процесса. Физики надеются, что это открытие станет мостом и будут найдены новые ответы на волнующие вопросы о том как же устроена Вселенная.

Бозон Хиггса простым языком – это частица, которая придаёт всем остальным массу. Благодаря экспериментальному подтверждению в 2012 году учёные подобрались ближе к разгадке создания вселенной.

 

Видео: просто о сложном – что такое бозон Хиггса?

В данном ролике физик Арнольд Дейвер расскажет, как и для чего открыли эту частицу, зачем нужно было строить адронный коллайдер:

Большой адронный коллайдер ЦЕРН возвращается

Большой адронный коллайдер ЦЕРН, LHC, является самым мощным в мире ускорителем частиц. Он сталкивает протоны с энергией, почти в 7000 раз превышающей их собственную энергию в состоянии покоя, чтобы исследовать природу на расстояниях, составляющих всего 1 часть на 100 000 размера атомного ядра. Эти большие энергии и малые расстояния содержат ключи к фундаментальным тайнам происхождения и природы элементарных частиц, составляющих материю.

LHC — это высокопроизводительная машина, гоночная машина Формулы-1, а не Toyota. Таким образом, он должен проводить время в магазине. Предыдущий запуск БАК закончился в декабре 2018 года. С тех пор ученые и техники установили множество исправлений и улучшений как ускорителя, так и детекторов частиц. В середине апреля LHC начал серию окончательных испытаний и настроек, подняв энергию столкновения с 13 ТэВ до 13,6 ТэВ, приблизившись к расчетной энергии 14 ТэВ. 5 июля начался новый цикл сбора данных. Ожидается, что новый запуск 3, который планируется завершить в конце 2025 года, удвоит текущий набор данных LHC.

Прогон 3 является промежуточным этапом программы LHC. Запуск 1 начался в 2010 году. Его главным событием стало открытие долгожданного бозона Хиггса в июле 2012 года. В 2013 году ускоритель был остановлен на более ранний период ремонта и модернизации. Прогон 2 начался двумя годами позже, весной 2015 года. Его основными достижениями стали открытия основных мод распада бозона Хиггса, подтвердившие, что эта частица действительно является источником массы, по крайней мере, для всех относительно тяжелых известных элементарных частиц. частицы. ЦЕРН планирует, что за запуском 3 последует более длительный период подготовки, который продлится до 2029 года.. Затем полностью выросший БАК, который теперь называется HL-БАК, снова вступит в действие с частотой столкновений в 10 раз большей, чем нынешняя. Работая до 2042 года, он соберет свой окончательный набор данных, в 10 раз больший, чем ожидалось в конце запуска 3.

«[БАК содержит] ключи к фундаментальным тайнам происхождения и природы элементарных частиц, из которых состоит материя».

Задача данных

Ключом к физике БАК является накопление огромного количества записей протон-протонных столкновений для анализа. Протон — частица, с которой легче всего манипулировать, и поэтому ее лучше всего использовать для ускорения до самых высоких энергий. Но это не элементарная частица. Это связанное состояние кварков, удерживаемых вместе частицами, называемыми глюонами, которые являются квантами сильного ядерного взаимодействия.

Для описания столкновений на БАК полезно представить протон как мешок с мармеладками, содержащими кварки и глюоны, а также, благодаря квантовым процессам, антикварки, кварки экзотического вкуса — такие как нижний кварк — и даже более тяжелые частицы, такие как бозоны W и Z, которые являются квантами слабых взаимодействий, ответственных за радиоактивный распад. Когда два протона сталкиваются, наиболее вероятно, что два «мешка» разрываются, выбрасывая частицы, которые преобразуются в протоны, пионы, каоны и другие более знакомые ядерные частицы. Но иногда два кварка или глюона сталкиваются лоб в лоб, сжимая всю свою энергию в крошечную точку, а затем возвращая ее к кваркам и глюонам или, возможно, к более тяжелым элементарным частицам, известным и неизвестным.

Изучая эти редкие реакции с огромным выделением энергии, физики могут увидеть законы природы на очень коротких расстояниях. По мере того, как LHC накапливает данные, эксперименты будут создавать все большие и большие выборки этих редких реакций, в конечном итоге накапливая достаточное количество событий для веских доказательств открытия.

Обнаружение этих случайных жестких столкновений — огромная проблема с данными. Сгустки протонов на БАК сталкиваются 40 миллионов раз в секунду. Каждое столкновение сгустка приводит к 50 или более индивидуальным столкновениям протон-протон. Фотозаписи этих столкновений, сделанные основными детекторами LHC ATLAS и CMS, должны быть записаны в постоянное хранилище. Размер каждой картинки уже в 20 раз больше, чем типичная фотография на смартфоне, поэтому сохранение всего за одну секунду работы уже привело бы к созданию базы данных размером в миллион гигабайт. Но в каждую секунду сбора данных 40 миллионов событий в основном простые и знакомые, всего несколько тысяч событий с W-бозоном и только одно событие с бозоном Хиггса скрыто в потоке. Таким образом, ключевой частью каждого эксперимента на БАК является «пусковой механизм», набор компьютерных процессоров, который выбирает несколько сотен таких столкновений в секунду для постоянной записи, которую физики будут анализировать. Даже при таком жестком отборе эксперименты на БАК уже создают одну из крупнейших в мире компьютерных баз данных.

«Даже при таком строгом [процессе] отбора [событий] эксперименты на БАК уже создают одну из крупнейших в мире компьютерных баз данных».

События БАК происходят с огромной скоростью, и это создает проблему, заключающуюся в том, что события должны выбираться со скоростью, слишком быстрой для вмешательства человека. Триггер имеет две ступени. Уровень 1 должен выбрать 1 из 100 событий за 100 микросекунд и отбросить остальные. Тогда триггер высокого уровня может позволить себе роскошь целой секунды, чтобы принять более сложное решение, но он все равно должен отбрасывать все события, кроме 1 из 10 000, которые он получает. Если событие не попадает в окончательный отчет о событии, оно как будто никогда не происходило.

По меркам БАК не так уж сложно найти события с очень большой передачей энергии от начальных кварков и глюонов. Что еще труднее, так это найти менее заметные события, особенные в другом отношении, возможно, содержащие намеки на новые слабосвязанные взаимодействия или частицы космической темной материи. Наиболее важными обновлениями основных детекторов для запуска 3 являются усовершенствования триггера, включая новые элементы детектора и перемонтаж существующих элементов для передачи большего количества информации на уровень 1. Эксперимент CMS добавит процессоры специального назначения, выполняющие машинное обучение. алгоритмы с молниеносной скоростью для принятия решений уровня 1.

Новые цели для частиц

Основная цель БАК сейчас состоит в том, чтобы открыть новые элементарные частицы, которые могут свидетельствовать о новых, еще не открытых фундаментальных взаимодействиях. Некоторые из предложенных новых частиц будут тяжелыми и распадутся на скопления кварков и лептонов с очень высокой энергией. Мой личный фаворит для возможного открытия на LHC — это новый тяжелый кварк, партнер топ-кварка. К сожалению, маловероятно, что такая частица может быть обнаружена в прогоне 3. Текущие поиски уже исключают эти частицы до массы, примерно в 10 раз превышающей массу бозона Хиггса. Топ-кварк-партнер с немного большей массой, который вполне мог бы существовать, не появился бы в достаточном количестве событий для однозначного открытия. В лучшем случае эксперименты дадут интересные статистические подсказки и даже некоторые наводящие на размышления картины событий с новыми чертами. Это заставит теоретиков говорить. HL-LHC в прогоне 4 и далее потребуется для подтверждения этих предположений.

Однако есть реальная возможность поиска слабосвязанных новых частиц, подобных предсказанным в моделях темной материи. Реакции, в результате которых образуются такие частицы, имеют низкую скорость, поскольку они возникают не за счет сильных взаимодействий, а за счет электромагнитных и слабых взаимодействий. Таким образом, любое увеличение набора данных будет полезным. Частица темной материи взаимодействует слишком слабо, чтобы оставить сигнал в детекторах LHC. Само по себе это не проблема, потому что можно искать видимые частицы, отскакивающие от невидимых излучений, в соответствии с третьим законом Ньютона. Но во многих моделях партнеры частицы темной материи выделяют очень мало видимой энергии, что приводит к очень слабым сигналам отдачи, которые не могут быть распознаны триггерами экспериментов. Усовершенствования триггера в прогоне 3 улучшат охват таких тонких сигналов, а повышенная скорость создаст выборку более редких событий, в которых отталкивающиеся частицы выталкиваются на более удобный обзор. С этими улучшениями способность ATLAS и CMS распознавать эти сигналы значительно возрастет.

«Основной целью БАК сейчас является открытие новых элементарных частиц, которые могут свидетельствовать о новых, еще не открытых фундаментальных взаимодействиях».

Машинное обучение

Хотя большинство поисков новых частиц нацелены на частицы, предсказанные теоретиками, существует растущая тенденция к поиску новых частиц, которые теоретики еще не вообразили. Безнадежно просить людей просматривать всю библиотеку изображений событий БАК в надежде обнаружить аномальные. Но это стало возможным благодаря продвинутым компьютерным алгоритмам «глубокого обучения», которые используют искусственный интеллект для сканирования массивов данных.

У физиков элементарных частиц очень сложные проблемы классификации сигналов, поэтому они рано приступили к созданию инструментов машинного обучения. Уже в 1980 году в эксперименте SLAC Mark II использовались обучаемые деревья решений для разделения сигналов гамма-лучей и пи-мезонов. Сегодня машинное обучение используется почти в каждом решении, принимаемом детекторами LHC, например, при идентификации нижних кварков в выборке кварковых сигналов. Однако эти инструменты обучаются на данных моделирования. Программы моделирования для событий LHC, такие как широко используемая программа PYTHIA, удивительно точны, но все же они не могут моделировать всю соответствующую физику. Если аномалия обнаруживается алгоритмом машинного обучения, мы должны задаться вопросом, действительно ли это новая физика или просто дефект в PYTHIA?

В прогоне 2 был предложен ряд алгоритмов для «классификации с минимальным наблюдением». Например, можно сравнить две выборки данных, которые, как ожидается, будут иметь разные пропорции реакции, содержащей новую частицу. Даже с помощью этого минимального намека эти алгоритмы могут идентифицировать события в одной выборке, которые являются аномальными по отношению к другой. Будет очень интересно запустить эти алгоритмы вслепую на новом наборе данных, который станет доступным в прогоне 3. Вполне возможно, что они дадут совершенно неожиданные сигналы.

Электроны против мюонов

До сих пор я обсуждал только детекторы LHC общего назначения ATLAS и CMS. Но на БАК также находится специализированный детектор LHCb, предназначенный для изучения больших выборок частиц, содержащих нижние и очарованные кварки, образующиеся в реакциях БАК. Детектор LHCb имеет другие цели, чем ATLAS и CMS, поэтому он не рассчитан на очень высокую скорость передачи данных этих детекторов. Но во время остановки система сбора данных LHCb была полностью перестроена, чтобы в третьем прогоне принимать в 10 раз больше данных, чем в предыдущих прогонах.

В отличие от ATLAS и CMS, специализированное исследование B-мезонов с помощью LHCb выявило несколько дразнящих аномалий. Наиболее заметным из них является наблюдение различных скоростей распада B-мезона на K-мезон плюс пару мюон-антимюон по сравнению с распадом на K-мезон плюс электрон-позитронную пару. В нашем нынешнем понимании физики элементарных частиц мюон — это тяжелая версия электрона. Его масса в 200 раз больше, чем у электрона, но его взаимодействия точно такие же. Эта мюонно-электронная универсальность была проверена во многих условиях. В отличие от этой совокупности свидетельств, эксперимент LHCb сообщает о 20% меньшем количестве случаев распада этих B-мезонов на мюоны, чем на электроны. Поскольку мюоны и электроны наблюдаются в детекторе LHCb довольно по-разному, результат не является статистически окончательным, но тем не менее он поразителен. Могут ли новые взаимодействия с участием тяжелых кварков различать мюон и электрон и играть роль в объяснении их очень разных масс? Наблюдение перемещает тесты универсальности мюона и электрона даже в ATLAS и CMS из рутинных проектов в центр внимания. Могут ли реакции с наивысшей энергией предъявить подтверждающие доказательства или они поддержат стандартную универсальность? Мы обязательно узнаем больше в Run 3.

Как и все проекты Большой науки, БАК продвигается медленно, но открывает доступ к глубоко скрытым знаниям, которые нельзя получить никаким другим способом. Прогон 3 — следующий этап в этом прогрессе. Пожалуйста, следите за сюрпризами, которые он принесет.

_{Избранное изображение: «Вид на сектор 3-4 туннеля LHC» ЦЕРН, через Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0) космос}

Подпишитесь на информационный бюллетень CNN по теории чудес. Исследуйте вселенную, получая новости об удивительных открытиях, научных достижениях и многом другом .

Си-Эн-Эн —

cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_F690D676-C474-67F7-85F1-CF1EB329337E@published” data-editable=”text” data-component-name=”paragraph”> Десять лет назад Большой адронный коллайдер, самый мощный ускоритель частиц на Земле, доказал существование субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса, которая считается фундаментальным строительным блоком Вселенной, восходящим к Большому взрыву миллиарды лет назад.

Теперь физики из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) на швейцарско-французской границе перезапускают коллайдер с целью узнать больше о бозоне Хиггса, других субатомных частицах и тайнах темной материи — невидимой и неуловимой. вещество, которое нельзя увидеть, потому что оно не поглощает, не отражает и не излучает свет.

cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_0A6A95C1-7974-BF74-A237-CD98B9F8E891@published” data-editable=”text” data-component-name=”paragraph”> Состоящий из кольца окружностью 27 километров (16,7 миль), Большой адронный коллайдер, расположенный глубоко под Альпами, состоит из сверхпроводящих магнитов, охлажденных до -271,3°C (-456 F), что холоднее, чем в открытом космосе. Он работает, сталкивая крошечные частицы вместе, чтобы ученые могли наблюдать за ними и видеть, что внутри.

Пучки протонов циркулируют в ускорительном комплексе уже с апреля, когда он был запущен после трехлетнего закрытия на техническое обслуживание и модернизацию.

Во вторник ученые ЦЕРН начнут сбор данных для своих экспериментов, а Большой адронный коллайдер будет работать круглосуточно почти четыре года. Это третий запуск массивной машины с большей точностью и потенциалом обнаружения, чем когда-либо прежде, благодаря модернизированным системам считывания и выбора данных, а также новым системам обнаружения и вычислительной инфраструктуре.

Стэнфордская лаборатория автономных систем/Лаборатория биомиметики и ловких манипуляций

Познакомьтесь с исследователем, который может быть первым, кто будет искать жизнь в марсианских пещерах.

«Когда мы проводим исследования, мы надеемся, что найдем что-то неожиданное, сюрприз. Это был бы лучший результат. Но, конечно, ответ находится в руках природы, и это зависит от того, как природа ответит на открытые вопросы фундаментальной физики», — сказала Фабиола Джанотти, генеральный директор ЦЕРН, в видео, размещенном на веб-сайте ЦЕРН.

«Мы ищем ответы на вопросы, связанные с темной материей, почему бозон Хиггса такой легкий и многие другие открытые вопросы».

Физики Франсуа Энглер и Питер Хиггс впервые предположили существование бозона Хиггса в 1960-х годах. Стандартная модель физики излагает основы того, как элементарные частицы и силы взаимодействуют во Вселенной. Но теория не смогла объяснить, как на самом деле частицы получают свою массу. Частицы или кусочки материи различаются по размеру и могут быть больше или меньше атомов. Электроны, протоны и нейтроны, например, являются субатомными частицами, из которых состоит атом. Ученых сейчас считают, что бозон Хиггса — это частица, которая придает всей материи ее массу.

У нас есть одни из самых красивых кадров B-roll, которые вы когда-либо видели! Здесь показано главное зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба, освещенное в темной чистой комнате. https://www.flickr.com/photos/nasawebbtelescope/30999320066/in/album-72157629134274763/

Центр космических полетов имени Годдарда НАСА

«Самое глубокое изображение нашей Вселенной», когда-либо полученное телескопом Уэбба, будет представлено в июле

В 2013 году, через год после открытия частицы, Энглерт и Хиггс получили Нобелевскую премию за свое дальновидное предсказание. Но о бозоне Хиггса еще многое неизвестно, и раскрытие его секретов может помочь ученым понять Вселенную в ее мельчайших масштабах и некоторые из самых больших тайн космоса.

cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_EFCC35C0-9235-9AF4-B99E-CEA737D645FA@published” data-editable=”text” data-component-name=”paragraph”> Большой адронный коллайдер, открытый в 2008 году, — единственное место в мире, где можно получить и детально изучить бозон Хиггса. Третий запуск успешно начался в 10:47 утра по восточному времени во вторник.

В последнем раунде экспериментов ученые ЦЕРН будут изучать свойства материи при экстремальных температуре и плотности, а также будут искать объяснения темной материи и других новых явлений либо путем прямого поиска, либо — косвенно — посредством точных измерений. свойств известных частиц.

«Хотя все результаты, полученные до сих пор, согласуются со Стандартной моделью, остается еще много места для новых явлений, выходящих за рамки того, что предсказывает эта теория», — сказал теоретик ЦЕРН Микеланджело Мангано в пресс-релизе.

Считается, что темная материя составляет большую часть материи во вселенной и ранее была обнаружена благодаря ее способности создавать гравитационные искажения в космическом пространстве.

«Сам бозон Хиггса может указывать на новые явления, в том числе те, которые могут быть ответственны за темную материю во Вселенной», — сказал Лука Мальгери, представитель CMS (Compact Muon Solenoid), одного из четырех крупных экспериментов на Большом адронном коллайдере. который построен вокруг огромного электромагнита.

Сара Спэри и Ник Томпсон из CNN внесли свой вклад в этот отчет.

БАК для чайников | plus.maths.org

09.05.2008

Крупнейший в мире физический эксперимент должен начаться 10 сентября, когда Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) включит Большой адронный коллайдер (БАК). Никогда не пропуская такие захватывающие события, Plus составил краткое руководство для начинающих.

Что это?

Вид на туннель БАК. Изображение © ЦЕРН.

Большой адронный коллайдер — это ускоритель частиц. По сути, это кольцеобразный туннель длиной 27 км, сделанный в основном из сверхпроводящих магнитов, который находится на глубине 100 метров под землей. Он расположен недалеко от Женевы, на границе между Францией и Швейцарией.

Что он делает?

Ускоряет частицы. Два пучка частиц, называемых адронов — это либо протоны, либо ионы свинца — будут мчаться по кольцу в противоположных направлениях. Они будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света, при очень высоких энергиях, и им будет предложено столкнуться.

Почему он это делает?

Чтобы ответить на некоторые загадки Вселенной. Физики считают, что все началось около 13,7 миллиардов лет назад с Большого взрыва. Тогда Вселенная была невероятно горячей и плотной. Но в одно мгновение он начал остывать, и различные процессы, породившие все то, что мы видим сегодня, пришли в действие. Чтобы пролить свет на те вещи, которые мы еще не понимаем в нашей Вселенной, это помогает оглянуться на тот первый драматический момент, чтобы понять, какие ингредиенты пошли на создание мира таким, каким мы его знаем.

Высокоэнергетические столкновения, произведенные LHC, воссоздадут условия, которые управляли моментами сразу после Большого Взрыва. Физики надеются, что в результате столкновений будут созданы частицы, хотя бы на крошечное мгновение, которых никогда не наблюдали: это недостающие звенья современной физики.

Так что же это за тайны?

Ну, их довольно много.

Начнем с того, что нам известно. Физики считают, что вся материя состоит из двенадцати элементарных частиц. К ним относятся знакомые электроны и частицы, составляющие две другие составляющие атомов; протоны и нейтроны.

Взаимодействие элементарных частиц управляется четырьмя фундаментальными силами: сильным ядерным взаимодействием, которое удерживает кварки вместе, чтобы сформировать каждый протон, слабым ядерным взаимодействием, которое вызывает радиоактивный распад, электромагнитным взаимодействием, которое действует между электрически заряженными частицами, и, конечно же, гравитация. (Слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие на самом деле просто различные аспекты одной и той же силы, известной как электрослабая сила, но мы не будем здесь этим заниматься.)

Силы не являются «силами» в таинственно-магическом смысле, плавающем в эфире. Более кратко их следует назвать «взаимодействиями»: когда действует сила, происходит обмен частицами частиц-носителей , также известных как бозонов . Каждая сила имеет свои собственные бозоны, хотя, что особенно важно, те из них, которые принадлежат гравитации, называемые гравитонами , никогда не наблюдались — они являются чисто гипотетическими.

Теория, описывающая то, что мы знаем о фундаментальных частицах и взаимодействиях, известна как 9-я теория.0130 стандартная модель физики элементарных частиц . Он работает на удивление хорошо, но есть несколько заминок.

Где все?

Во Вселенной есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Наблюдения показали, что вещи, которые мы можем наблюдать — то, что находится на нашей собственной планете и на планетах, звездах и галактиках в космосе — составляют лишь 4% того, что находится снаружи! Остальные не излучают никакого электромагнитного излучения — света — и поэтому мы не можем их обнаружить обычными методами. Однако мы знаем, что он существует, из-за его эффектов: небесные тела, которые мы можем наблюдать, реагируют на гравитационные силы, намного превышающие те, которые объясняются известной материей, а расширение Вселенной ускоряется какой-то странной силой отталкивания.

Схематический вид БАК. Изображение © ЦЕРН.

Физики винят в этих эффектах два таинственных вещества: темную материю и темную энергию, которые, как считается, составляют 26% и 70% Вселенной соответственно. Эти два вещества не состоят из элементарных частиц стандартной модели. У физиков есть некоторые идеи о том, из каких частиц может состоять темная материя, и они надеются, что их могут произвести высокоэнергетические столкновения на БАК. сделать их обнаруживаемыми.

Почему мы здесь?

Согласно стандартной модели, у каждой фундаментальной частицы есть близнец, называемый античастицей , который имеет ту же массу, но противоположный электрический заряд. Когда встречаются два близнеца, они уничтожают друг друга, и их масса превращается в энергию. Изначально античастицы выпадали из математического уравнения, которое имело на одно решение больше, чем ожидалось. Но поскольку их теоретические концепции они действительно наблюдались в космических лучах и производились в лабораториях.

Проблема вот в чем: всякий раз, когда ученым удавалось создавать античастицы, они не могли не производить соответствующие частицы в процессе. Если то же самое произошло во время Большого Взрыва, то почему вещи не уничтожили друг друга и не исчезли в потоке энергии? Где вся антиматерия? Что-то не так с теорией? Или есть целая Антивселенная? там где-то? БАК позволит ученым изучить некоторые из фундаментальных частиц и их антиблизнецов, чтобы установить, могут ли крошечные различия объяснить эту очевидную асимметрию природы.

Таинственное увеличение веса

Теория, которая вошла в известную нам сегодня стандартную модель, предсказывает, что переносящие силу частицы не должны иметь массы. Однако наблюдения показывают, что это не так. В ответ на этот парадокс физики выдвинули теорию, утверждающую, что сразу после Большого взрыва частицы действительно были безмассовыми. Однако чуть позже образовалось невидимое силовое поле, и частицы взаимодействуя с ним, приобретали массу — им придавал массу особый бозон, пришедший с силовым полем. И поле, и бозон были названы в честь физика Питера Хиггса, который вместе с другими придумал эту идею.

Бозон Хиггса, увы, никогда не наблюдался. Физики надеются, что он может появиться на кратчайшее мгновение, прежде чем распасться во что-то еще, в результате столкновений с БАК, и что они смогут обнаружить его следы. Его обнаружение устранило бы одну из самых больших дыр в стандартной модели. Любое доказательство его отсутствия поколебало бы основы современной физика.

Космическое рабство

Вся материя состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов, протонов и нейтронов. Последние две частицы — сами по себе не фундаментальные — состоят из кварков. Они удерживаются вместе частицами, называемыми 9.0130 глюонов . Связь настолько сильна, что никто никогда не находил кварки, плавающие сами по себе.

Однако сразу после Большого Взрыва все было слишком жарко, чтобы эти прочные связи могли существовать. Физики полагают, что вместо этого существовал своего рода первичный бульон, известный как кварк-глюонная плазма . Когда он остыл, он медленно сформировал частицы, которые мы знаем сегодня.

БАК создаст среду чрезвычайно высоких температур, и физики надеются, что они расплавят связи между кварками и дадут им представление о кварк-глюонной плазме и ее поведении при охлаждении.

Великое объединение

Во время строительства инженеры передвигались по тоннелю на велосипедах. Изображение © ЦЕРН.

Одна из самых больших проблем со стандартной моделью заключается в том, что самая известная из фундаментальных сил, гравитация, отказывается вписываться в нее. Субатомный мир описывается теорией квантовой механики, а гравитация, описываемая теорией Эйнштейна. общая теория относительности срабатывает в гораздо больших масштабах. Проблема в том, что общая теория относительности и квантовая механика, похоже, противоречат друг другу: когда вы применяете математика последнего к первому, вы получите бессмысленные ответы. Теория великого объединения, которая сглаживает противоречия и объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, является чем-то вроде святого Грааля в физике.

Самый сильный претендент на великое объединение — теория струн. Прославленная физиками и математиками за ее элегантность, теория струн до сих пор является чисто математической конструкцией: она утверждает, что мир состоит из крошечных вибрирующих струн, а не из точечных частиц, но никто никогда не наблюдал такую ​​струну. и эта теория не была проверена никаким другим способом.

Одно из самых интересных предсказаний, выпадающих из математики теории струн, состоит в том, что пространство-время не четырехмерно, как обычно думают, а десятимерно. Шесть дополнительных пространственных измерений, как считают ученые, свернуты настолько плотно, что мы не можем их воспринимать. Один из способов проверить эту идею — создать среду с высокой энергией, позволяющую частицам прыгать внутрь и наружу. скрытые измерения таким образом, который мы можем обнаружить. Физики очень внимательно изучат результаты экспериментов на БАК, чтобы увидеть, смогут ли они найти такие подсказки.

Это безопасно?

Нас поджарят космические лучи? Засосаны в черные дыры, созданные БАК? Пропылесосили червоточины, чтобы сбросить в параллельную вселенную в другое время? Будет ли мир опрокинут в состояние, в котором мы не сможем существовать? Нет, нет, нет и нет. БАК не может сделать ничего такого, чего уже не сделала природа, и мы пережили это.