Большой адронный коллайдер – презентация, доклад, проект
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Большой адронный коллайдер. Презентация на заданную тему содержит 20 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас – поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Презентации» Физика» Большой адронный коллайдер
Слайды и текст этой презентации
Слайд 1
Описание слайда:
Слайд 2
Описание слайда:
Что это такое? Большой адронный коллайдер (БАК) – ускоритель протонов, построенный на территории Швейцарии и Франции, не имеет аналогов в мире.
Слайд 3
Расшифровка названия.
БАК
Большим БАК назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м;
Адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков;
Коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах.
Слайд 4
Описание слайда:
В БАК с помощью 120 мощных электромагнитов предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9%) встречные пучки протонов. В БАК с помощью 120 мощных электромагнитов предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9%) встречные пучки протонов.
Слайд 5
Описание слайда:
“Большой взрыв”
Ученые CERN полагают, что эксперимент позволит в миниатюре воспроизвести “Большой взрыв”, который 13,7 миллиардов лет назад положил начало Вселенной.
Слайд 6
Цель запуска адронного коллайдера. узнать, как устроена материя. Обнаружить следы существования бозона Хиггса или, как еще называют, “частицы Бога” – гипотетической частицы, отвечающей за массу элементарных частиц.
Слайд 7
Описание слайда:
Изучить самые тяжелые Топ-кварки и провести столкновения ядер свинца, в результате которых ожидают образования температур около полутора триллионов градусов, существовавших лишь в самом начале Вселенной.
Описание слайда:
Координатор участия России в проекте, заместитель директора НИИЯФ МГУ Виктор Саврин сообщил, что в
Координатор участия России в проекте, заместитель директора НИИЯФ МГУ Виктор Саврин сообщил, что в
создании и разработке БАК участвовали многие российские ученые и инженеры, институты и предприятия.
Слайд 9
Описание слайда:
Некоторые ученые считают, что БАК может привести к созданию машины времени Согласно этой гипотезе, во время испытаний БАКа высвобожденная энергия будет сконцентрирована на субатомной частице, в результате чего произойдет изменение тканей Вселенной – сочетания пространства и времени.
Слайд 10
Описание слайда:
Результат “В результате протон-протонных столкновений в БАКе, будут возникать так называемые “червоточины” или “кротовые норы”, по которым на микроуровне на маленькие расстояния, на короткие отрезки времени смогут перемещаться частицы”.
Слайд 11
Описание слайда:
Детекторы и предускорители БАК.
Траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно).
Слайд 12
Описание слайда:
Изучение топ-кварков Они интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона.
Слайд 13
Описание слайда:
Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Поток фотонов становится сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.
Слайд 14
Описание слайда:
Технические характеристики Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года)
Слайд 15
Описание слайда:
Детектор ATLAS в процессе сборки (февраль 2006 года) Детектор ATLAS в процессе сборки (февраль 2006 года)
Слайд 16
Описание слайда:
Потребление энергии
Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева.
Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы
Описание слайда:
Неконтролируемые физические процессы Высказываются опасения: 1. имеется вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая теоретически может уничтожить всю планету. 2. возможность появления в коллайдере микроскопических черных дыр.
Слайд 18
Описание слайда:
ОДНАКО Общая теория относительности в виде, предложенном Эйнштейном, не допускает возникновения микроскопических чёрных дыр в коллайдере. Однако они будут возникать, если верны теории с дополнительными пространственными измерениями.
Слайд 19
Описание слайда:
Управление коллайдером
Тонны сложнейшего оборудования, кабелей, проводов скрыты от глаз.
Техникой управляют дистанционно. Толстые бетонные плиты предохраняют шахту от утечки радиации, которая теоретически возможна.
Слайд 20
Описание слайда:
Tags Большой адронный коллайдер
Похожие презентации
Презентация успешно отправлена!
Ошибка! Введите корректный Email!
Большой адронный коллайдер презентация, доклад, проект
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР
Кравченко Александр Юрьевич гр Ф-36
Большо́й адро́нный колла́йдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.
«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м;
«адронным» — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.
Технические характеристики
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер.
Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.
Детекторы
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.
С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра).
При этом все детекторы одновременно набирают статистику.
Процесс ускорения частиц в коллайдере
Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый.
На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.
Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света. Скорость протонов с энергией 7 ТэВ всего на 3 метра в секунду меньше, чем скорость света (c).
Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс.
оборотов в секунду.
Потребление энергии
Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.
Вопросы безопасности
Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Скачать презентацию
Большой адронный коллайдер презентация, доклад
Большой адронный коллайдер
БАК
Большой адронный коллайдер
(англ.
Large Hadron Collider, LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europйen pour la Recherche Nuclйaire, CERN).
Большой адронный коллайдер
построен с целью разгона частиц (протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца))и их столкновения для моделирования в уменьшенной версии “Большого взрыва” в результате которого предположительно возникла вселенная.
Слово коллайдер происходит от глагола collide — «сталкиваться, соударяться». БАК отличается от обычных ускорителей частиц именно тем, что они в нём будут сталкиваться.
Большим он называется потому, что это самый большой на данный момент ускоритель, построенный людьми; длина его окружности равна 27 километрам.
Туннель БАК фактически имеет форму восьмиугольника с четырьмя дугами, соединенными короткими прямыми секциями, в которых располагаются экспериментальные установки (детекторы) и системы управления пучком
с какой стати его там и тут называют андронным.
Адроны — это элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, к которым относятся и ядерные силы. Их название происходит от греческого hadros — «толстый, большой».
Целью проекта LHC прежде всего является открытие бозона Хиггса — важнейшей из экспериментально не найденных частиц Стандартной Модели (СМ) — а также поиск явлений физики вне рамок СМ. Также большое внимание планируется уделить исследованиям свойств W и Z-бозонов, ядерным взаимодействиям при сверхвысоких энергиях, процессам рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).
В этой связи наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических черных дыр, а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.
Почему тела имеют массу?
Ответить на этот вопрос Европейский Совет по ядерным исследованиям (ЦЕРН) планировал после запуска Коллайдера.
Учёные выдвигают гипотезу о том, что масса обычных частиц создается невидимым распространенным повсюду полем виртуальных частиц Хиггса. При столкновении частиц высоких энергий образуются бозоны Хиггса, и, возможно, благодаря механизму Хиггса появляется масса. На Коллайдере планировали пробовать найти микрочерные дыры, магнитные монополи, а также исследовать вероятность того, что любая известная фундаментальная частица обладает невидимым сверхсимметричным двойником.
Устройство LHC
С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела — он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц — специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо».
Далее пойдёт речь именно об устройстве ускорительного кольца LHC.
LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком.
На рисунке показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.
Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком.
Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца.
Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.
Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении.
Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора:
два крупных — ATLAS и CMS,
и два средних — ALICE и LHCb.
Вблизи двух крупных
детектора установлены
также два специализированных
мелких детектора — TOTEM и LHCf.
В точке 4 расположена ускорительная секция.
Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию.
В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя.
В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.
Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка).
Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид.
В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.
Магнитная система LHC
Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем.
На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя.
Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы.
Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты.
В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты.
Инжекционный комплекс
Инжекционный комплекс — это сложное инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC.
Протоны поступают в LHC из предварительного ускорителя SPS («Протонного суперсинхротрона»). Имеются две линии передачи пучка, которые отходят от SPS в двух местах и подходят к ускорительному кольцу LHC вблизи точек 2 и 8 (эти линии называются Tl2 и Tl8).
Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции электронов.
В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам.
Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера.
Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов.
Ускорительная секция
Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца.
Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4.
Резонатор
представляет собой полую металлическую камеру сложной формы , внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед.
Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает. Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц.
Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии.
Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой
Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах — ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса.
Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры.
Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.
Система сброса пучка
Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя.
Система сброса пучка
Всем этим занимается специальная система сброса пучка
В ней размещены специальные быстрые магниты, которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).
Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности
Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка
10–13 атм.
Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.
Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой.
Криогенная система
Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле.
Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр!
Криогенная система на LHC многоступенчатая.
Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.
В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков — «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру.
коллиматор
Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки — «челюсти» коллиматора.
Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны — они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами.
Светимость коллайдера
Важной «инструментальной» характеристикой коллайдера является его светимость; чем она больше, тем чаще происходят столкновения частиц из встречных пучков. Светимость зависит от количества частиц в каждом пучке и от того, насколько плотно частицы собраны, то есть насколько хорошо пучок сфокусирован в точке столкновений.
Светимость L выражается в см–2·с–1. Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости LHC, равной 1034 см–2·с–1, процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200 ГэВ, имеющий сечение 20 pb (= 2·10–35 см2), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.
Часто используют также интегральную светимость (или интеграл светимости), то есть светимость, умноженную на время работы ускорителя. Ее обычно выражают в обратных пикобарнах (pb–1) или обратных фемтобарнах (fb–1; 1 fb–1 = 1000 pb–1). Например, коллайдер со светимостью 1034 см–2·с–1, проработав в течение «стандартного ускорительного года» (10 миллионов секунд, что примерно равно четырем месяцам), наберет интегральную светимость 100 fb–1. Это значит, что какой-нибудь редкий процесс с сечением 1 fb, произойдет за это время примерно 100 раз (однако из-за неидеальной эффективности детектора количество реально зарегистрированных событий будет, конечно, меньше).
КРАТКИЕ ФАКТЫ
СКОРОСТЬ ПРОТОНОВ: 99,9999991% от скорости света
ЧИСЛО ПРОТОНОВ В СГУСТКЕ: до 100 млрд (1011)
ЧИСЛО СГУСТКОВ: до 2808
ЧИСЛО ПРОХОЖДЕНИЯ ПУЧКАМИ ПРОТОНОВ ЗОН ДЕТЕКТОРОВ: до 31 млн в секунду, в 4 зонах
ЧИСЛО СТОЛКНОВЕНИЙ ЧАСТИЦ ПРИ ПЕРЕСЕЧЕНИИ: до 20
ОБЪЕМ ДАННЫХ НА ОДНО СТОЛКНОВЕНИЕ: около 1,5 МБ
ЧИСЛО ЧАСТИЦ ХИГГСА: 1 каждые 2,5 секунды (при полной интенсивности пучка и согласно определенным предположениям о свойствах частиц Хиггса)
Варианты развития событий
Существует несколько вариантов того, какие результаты будут получены на LHC:
Будет обнаружен лишь один хиггсовский бозон со свойствами, близкими к Стандартной модели, и больше ничего.
Будет обнаружен лишь один хиггсовский бозон, но со свойствами, заметно отличающимися от Стандартной модели, либо не будет найдено ни бозона Хиггса, ни других новых частиц.
Будут обнаружены новые частицы, которых нет в Стандартной модели.
Вариант 1
самый «пессимистический».
При нём Стандартная модель (СМ) окончательно достраивается, но накопившиеся вопросы относительно происхождения Стандартной модели ответа не получают. Широко распространено мнение, что при таком развитии событий не будет выделено финансирование на международный линейный электрон-позитронный коллайдер ILC, и развитие физики элементарных частиц на время застопорится.
Вариант 2
достаточно интересный.
Во многих теориях при подходящем наборе параметров возникает картина, подобная СМ, но со слегка отличным от СМ бозоном Хиггса.
Измеренные на LHC свойства бозона укажут теоретикам направления дальнейшего развития теории. Если бозон Хиггса не будет обнаружен, то это значит, что нарушение электрослабой симметрии происходит за счет какого-то необычного механизма, и развитие получат бесхиггсовские теории.
С точки зрения эксперимента это будет не самый лучший вариант, так как все эти теории будут опять плохо проверяемы.
Вариант 3
самый интересный.
При таком развитии событий будет открыт новый глубинный «пласт» устройства нашего мира, и уже теоретикам придется напрячься, чтобы понять его. В этом случае есть все шансы на бурное развитие как экспериментальной, так и теоретической ФЭЧ.
Последний эксперимент на Большом адронном коллайдере сообщает о первых результатах | Новости Массачусетского технологического института
После двухлетнего перерыва Большой адронный коллайдер, крупнейший и самый мощный ускоритель частиц в мире, в июне начал вторую серию экспериментов, сталкивая субатомные частицы при энергии 13 тераэлектронвольт (ТэВ) — самой высокой энергии.
когда-либо достигнутые в лаборатории. Физики надеются, что такие высокоэнергетические столкновения могут породить совершенно новые частицы и потенциально имитировать условия, которые наблюдались в ранней Вселенной.
В статье, которая будет опубликована в журнале Physics Letters B, , сотрудничество компактного мюонного соленоида (CMS) в Европейской организации ядерных исследований (CERN) сообщает о самых первых столкновениях частиц и описывает среднее столкновение между два протона выглядят как при 13 ТэВ. Одним из руководителей исследования является доцент физики Массачусетского технологического института Йен-Джи Ли, который возглавляет группу релятивистских тяжелых ионов Массачусетского технологического института вместе с профессорами физики Гюнтером Роландом и Болеком Вислоухом.
В ходе эксперимента исследователи отправили два пучка протонов, летящих в противоположных направлениях вокруг коллайдера со скоростью, близкой к скорости света. Каждый пучок содержал 476 сгустков по 100 миллиардов протонов, причем столкновения между протонами происходили каждые 50 наносекунд.
Команда проанализировала 20 миллионов «моментальных снимков» взаимодействующих протонных пучков и идентифицировала 150 000 событий, содержащих протон-протонные столкновения.
Для каждого столкновения, которое идентифицировали исследователи, они определяли количество и угол рассеивания частиц от сталкивающихся протонов. Среднее столкновение протонов произвело около 22 заряженных частиц, известных как адроны, которые в основном были рассеяны в поперечной плоскости, непосредственно вокруг основной точки столкновения.
По сравнению с первым запуском коллайдера при энергоемкости 7 ТэВ недавний эксперимент при 13 ТэВ производил на 30 процентов больше частиц за одно столкновение.
Ли говорит, что результаты подтверждают теорию о том, что столкновения с более высокой энергией могут увеличить вероятность обнаружения новых частиц. Результаты также дают точную картину типичного столкновения протонов — картину, которая может помочь ученым просеивать средние события в поисках нетипичных частиц.
«При такой высокой интенсивности мы будем наблюдать сотни миллионов столкновений каждую секунду, — говорит Ли. «Но проблема в том, что почти все эти столкновения — типичные фоновые события. Вам действительно нужно хорошо понимать фон, чтобы вы могли отделить его от сигналов для новых физических эффектов. Теперь мы подготовились к потенциальному открытию новых частиц».
Уменьшение неопределенности крошечных столкновений
Обычно 13 ТэВ — это небольшое количество энергии, примерно такое же, как у летящего комара. Но когда эта энергия упакована в один протон размером менее триллионной доли комара, плотность энергии этой частицы становится огромной. Когда два таких наполненных энергией протона сталкиваются друг с другом, они могут выбить компоненты из каждого протона — либо кварки, либо глюоны — которые, в свою очередь, могут взаимодействовать, создавая совершенно новые частицы.
Предсказание числа частиц, образующихся при столкновении протонов, может помочь ученым определить вероятность обнаружения новой частицы.
Однако существующие модели генерируют прогнозы с неопределенностью от 30 до 40 процентов. Это означает, что для высокоэнергетических столкновений, в результате которых образуется большое количество частиц, неопределенность в обнаружении редких частиц может стать серьезной проблемой.
«Для прогонов с высокой яркостью у вас может быть до 100 столкновений, и неопределенность уровня фона, основанная на существующих моделях, будет очень большой», — говорит Ли.
Чтобы уменьшить эту неопределенность и более точно подсчитать количество частиц, образующихся при среднем столкновении протонов, Ли и его команда использовали детектор CMS Большого адронного коллайдера. Детектор построен вокруг массивного магнита, который может генерировать поле в 100 000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли.
Обычно магнитное поле искривляет заряженные частицы, возникающие при столкновении протонов. Это изгибание позволяет ученым измерять импульс частицы. Однако среднестатистическое столкновение обычно производит легкие частицы с очень низким импульсом — частицы, которые в магнитном поле в конечном итоге скручиваются по направлению к трубе луча основного коллайдера, вместо того, чтобы наклоняться к детектору CMS.
Чтобы подсчитать эти заряженные легкие частицы, ученые проанализировали данные при выключенном магните детектора. Хотя они не могли измерить импульс частиц, они могли точно подсчитать количество заряженных частиц и измерить углы, под которыми они достигли детектора. Измерения, по словам Ли, дают более точную картину среднего столкновения протонов по сравнению с существующими теоретическими моделями.
«Наше измерение фактически значительно сокращает неопределенность, всего до нескольких процентов, — говорит Ли.
Моделирование ранней Вселенной
Знание того, как выглядит типичное столкновение протонов, поможет ученым настроить коллайдер так, чтобы он, по существу, видел сквозь фон обычных событий, чтобы более эффективно обнаруживать редкие частицы.
Ли говорит, что новые результаты могут также оказать значительное влияние на изучение горячей и плотной среды ранней Вселенной. Помимо протонных столкновений, ученые также планируют изучить самые высокоэнергетические столкновения ионов свинца, каждое из которых содержит 208 протонов и нейтронов.
При ускорении в коллайдере ионы свинца сплющиваются в диски из-за силы, называемой лоренцевым сокращением. При столкновении ионы свинца могут генерировать сотни взаимодействий между протонами и создавать чрезвычайно плотную среду, которая, как считается, имитирует космические условия сразу после Большого взрыва. Таким образом, эксперимент на Большом адронном коллайдере потенциально может имитировать состояние самых первых моментов ранней Вселенной.
«Через одну микросекунду после Большого взрыва Вселенная была очень плотной и горячей — около 1 триллиона градусов, — говорит Ли. “Благодаря столкновениям ионов свинца мы можем воспроизвести раннюю Вселенную в виде “малого взрыва”. Если мы сможем понять, как выглядит одно столкновение протонов, мы, возможно, сможем получить больше информации о том, что произойдет, когда сотни таких столкновений произойдут одновременно. в то же время. Тогда мы увидим, что мы можем узнать о ранней Вселенной».
Это исследование частично финансировалось Министерством энергетики США.
ЦЕРН излагает планы строительства суперколлайдера стоимостью 21 миллиард евро
Художественное представление кругового коллайдера будущего
ЦЕРН обнародовал свою смелую мечту построить новый ускоритель почти в 4 раза длиннее своего 27-километрового Большого адронного коллайдера (БАК) — в настоящее время крупнейшего в мире коллайдера — и до 6 раз мощнее.
ЦЕРН, европейская лаборатория физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария, изложила план в техническом отчете, опубликованном 15 января.
В документе предлагается несколько предварительных проектов кругового коллайдера будущего (FCC), который станет самым мощным когда-либо созданным ускорителем частиц, с различными типами коллайдеров стоимостью от 9 миллиардов евро (10,2 миллиарда долларов США) до 21 миллиарда евро. . Это первая заявка лаборатории в процессе установления приоритетов под названием «Обновление Европейской стратегии физики элементарных частиц», который будет проходить в течение следующих двух лет и повлияет на будущее этой области во второй половине века.
«Это огромный скачок, как планирование путешествия не на Марс, а на Уран», — говорит Джан Франческо Джудиче, возглавляющий теоретический отдел ЦЕРН и представляющий лабораторию в Подготовительной группе по физике в процессе обновления стратегии.
С момента исторического открытия БАК бозона Хиггса в 2012 году коллайдер не обнаружил никаких новых частиц. По словам Джудиса, это указывает на необходимость максимально увеличить энергию коллайдера. «Сегодня исследование самых высоких возможных энергий с помощью смелых проектов — наша лучшая надежда раскрыть некоторые тайны природы на самом фундаментальном уровне».
Потенциал такой машины, как FCC, «очень интересен», говорит Халина Абрамович, физик из Тель-Авивского университета в Израиле, которая возглавляет процесс обновления европейской стратегии. Она добавляет, что потенциал FCC будет подробно обсуждаться в рамках этого мероприятия и сравниваться с другими предлагаемыми проектами.
Совет ЦЕРН, в который входят ученые и правительственные делегаты из стран-членов ЦЕРН, примет окончательное решение о финансировании проекта.
Слишком дорого?
Не все убеждены, что суперколлайдер — это хорошая инвестиция. «Нет причин думать, что должна быть новая физика в энергетическом режиме, которого достиг бы такой коллайдер», — говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии. «Это кошмар, о котором все думают, но не хотят говорить о нем».
Хоссенфельдер говорит, что большие суммы, связанные с этим, могли бы быть лучше потрачены на другие типы огромных объектов. Например, она говорит, что размещение крупного радиотелескопа на обратной стороне Луны или детектора гравитационных волн на орбите было бы безопаснее, чем коллайдер, с точки зрения их отдачи науке.
Майкл Бенедикт, физик ЦЕРН, руководивший исследованием FCC, говорит, что строительство суперколлайдера стоило бы вне зависимости от ожидаемого научного результата. «Такого рода крупномасштабные усилия и проекты являются огромным стартом для создания сетей, соединяющих институты через границы, страны.
Все это вместе составляет очень хороший аргумент для продвижения таких уникальных научных проектов».
Но Хоссенфельдер говорит, что аналогичный аргумент можно привести и в пользу других крупных научных проектов.
Варианты
Исследование FCC началось в 2014 году и, по данным CERN, в нем приняли участие более 1300 участников при финансовом вкладе программы финансирования исследований Horizon 2020 Европейской комиссии. Большинство сценариев, описанных в исследовании, включают 100-километровый туннель, вырытый рядом с существующим туннелем LHC. По словам ЦЕРН, стоимость этого и соответствующей инфраструктуры на поверхности составит около 5 миллиардов евро.
Новый коллайдер будет размещен в 100-километровом кольце (красное) возле БАК ЦЕРН (синее). Фото: ЦЕРН
Машина стоимостью 4 миллиарда евро, построенная в таком туннеле, может разбивать электроны и их аналоги из антиматерии, позитроны, с энергией до 365 гигаэлектронвольт (ГэВ). Такие столкновения позволят исследователям изучать известные частицы, такие как бозон Хиггса, с большей точностью, чем это возможно на протон-протонном коллайдере, таком как LHC.
Эта исследовательская программа начнется примерно к 2040 году, после того как БАК и его запланированная модернизированная версия отработают свой курс.
Физики давно планировали построить Международный линейный коллайдер (ILC) после того, как LHC отработает свой курс, и этот коллайдер также будет сталкивать электроны и позитроны. В 2012 году японские ученые сделали предложение о размещении ILC. Но неспособность БАК обнаружить какие-либо непредвиденные явления ослабила аргументы в пользу линейного коллайдера. Это связано с тем, что ILC достигнет энергий, достаточных только для изучения бозона Хиггса, но не для открытия каких-либо новых частиц, которые могут существовать при более высоких энергиях, как мог бы запланированный коллайдер ЦЕРН. Правительство Японии должно решить к 7 марта, хочет ли оно принять у себя ILC.
Другим вариантом, описанным в отчете, является 100-километровый протон-протонный коллайдер стоимостью 15 миллиардов евро (известный также как адронный коллайдер), построенный в том же Максимальная мощность LHC составляет 16 000 ГэВ.
Но более вероятно, что сначала будет построена электрон-позитронная машина, а потом, в конце 2050-х, протон-протонный коллайдер. В любом случае машина с более высокой энергией будет искать совершенно новые частицы, которые могут быть более массивными, чем известные частицы, и поэтому для их производства потребуется больше энергии.
Адронный коллайдер будет всего на 15% длиннее, чем сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), проект в Техасе, от которого отказались из-за соображений стоимости в 1990-х годах, когда его туннели уже находились в середине строительства. Но из-за технологических усовершенствований — в частности, в магнитах, которые искривляют траекторию протонов вокруг кольца — предлагаемый адронный коллайдер будет сталкивать частицы с энергиями, более чем в два раза превышающими предсказанные для SSC.
Предстоит еще много исследований и разработок, и это одна из причин, по которой может иметь смысл сначала построить машину с более низким энергопотреблением. «Если бы завтра у нас был готов 100-километровый туннель, мы могли бы начать строить электрон-позитронный коллайдер прямо сейчас, потому что технология, по сути, уже существует», — говорит Джудиче.
«Но необходимы дополнительные исследования и разработки для магнитов, необходимых для коллайдера на 100 тераэлектронвольт».
Китайский конкурент
Ван Ифан, директор Института физики высоких энергий (ИФВЭ) Китайской академии наук в Пекине, говорит, что не сомневается, что ЦЕРН сможет реализовать такой проект. «ЦЕРН имеет долгую историю успеха. У него есть технологические возможности, управленческие навыки и хорошие отношения с правительствами», — говорит он.
Ван руководит аналогичным проектом в Китае, и он говорит, что обе попытки пришли к практически одинаковым выводам с точки зрения научных целей и технической осуществимости. В частности, это естественный выбор – сначала провести электрон-позитронные столкновения, а затем перейти к адронам, говорит он.
Большая часть дополнительных затрат на адронный коллайдер будет связана с потребностью в мощных сверхпроводящих магнитах и огромных гелиевых криогенных системах для их охлаждения. FCC с адронным столкновением будет направлен на разработку, создание и развертывание магнитов мощностью 16 тесла на основе сверхпроводящего сплава Nb 3 Sn, которые будут вдвое мощнее, чем у LHC, но в принципе требуют лишь немного более высоких температур.
Китай настаивает на более совершенных, но менее проверенных сверхпроводниках на основе железа, которые могут еще больше повысить температуру. «Если вы сможете сделать это при температуре 20 кельвинов, вы получите огромную экономию», — говорит Ван.
Даже если физики элементарных частиц согласны с тем, что миру нужен 100-километровый коллайдер, неясно, нужны ли два. Какая бы сторона ни запустила такой проект первой, она, вероятно, предвосхитит усилия другой стороны. На любом коллайдере будут проводиться эксперименты, открытые для более широкого международного сообщества, говорит Ван, поэтому с точки зрения науки, которая будет проводиться, не будет иметь значения, какой из них в конечном итоге будет построен.
Европа представляет преемника Большого адронного коллайдера – Physics World
Круговое зрение: Будущий круговой коллайдер — огромный ускоритель частиц с окружностью в 100 км — будет использоваться для изучения бозона Хиггса с беспрецедентными подробностями, а также для поиска новой физики.
(Любезно предоставлено: CERN)Физики из CERN представили проект огромного ускорителя частиц с окружностью 100 км, который будет использоваться для беспрецедентно подробного изучения бозона Хиггса, а также для поиска новой физики. Сегодня был опубликован отчет о концептуальном проекте Future Circular Collider (FCC) — подземного коллайдера частиц, который будет связан с существующим Большим адронным коллайдером (LHC) недалеко от Женевы.
С момента первого запуска БАК в 2008 году коллайдер частиц с окружностью 27 км сталкивает протоны с энергиями до 13 ТэВ в поисках новых частиц. В 2012 году физики объявили об открытии бозона Хиггса с массой 125 ГэВ. Это привело к тому, что Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию по физике 2013 года за работу по теоретическому предсказанию частицы. Однако с тех пор никаких частиц за пределами Стандартной модели, таких как суперсимметричные партнеры, обнаружено не было.
Хотя БАК будет работать еще несколько десятилетий, прежде чем его окончательно отключат, уже более трех десятилетий физики проводят исследования и разработки на линейных коллайдерах, которые однажды могут стать преемниками БАК.
Одной из ведущих разработок является Международный линейный коллайдер (ILC), который будет ускорять электроны и позитроны с помощью сверхпроводящих полостей. Поскольку электроны и позитроны являются фундаментальными частицами, их столкновения чище, чем протон-протонные столкновения на БАК, поэтому они идеально подходят для детального изучения частиц.
Япония — единственная страна, которая проявила интерес к размещению ILC, но японское правительство медлило с принятием решения о размещении машины. Это вынудило физиков недавно уменьшить масштаб своего проекта ILC с 500 ГэВ до 250 ГэВ, поскольку ожидается, что правительство Японии примет окончательное решение о размещении ILC в марте.
Тем не менее, физики элементарных частиц по-прежнему видят преимущества в сохранении больших круговых коллайдеров, не в последнюю очередь потому, что у них есть большой опыт в их строительстве. с 19Например, с 89 по 2000 год ЦЕРН эксплуатировал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), который находился в том же туннеле, где сейчас находится БАК, и проводил точные измерения Z- и W-бозонов.
А учитывая относительно малую массу бозона Хиггса, круговой коллайдер сможет производить более высокие светимости без огромных потерь от синхротронного излучения, которое повлияло бы на коллайдер, работающий при более высоких энергиях 500 ГэВ.
Прецизионные исследования
Проект FCC был инициирован в 2013 году европейским сообществом физики элементарных частиц, и в следующем году в Женеве была проведена встреча, на которой началась работа над отчетом. В новом четырехтомном отчете о концептуальном проекте рассматривается возможность создания 100-километрового кругового коллайдера и изучается физика, которую может выполнять такая потенциальная машина. Во-первых, он требует строительства 100-километрового подземного туннеля, в котором разместится электронно-позитронный коллайдер (FCC-ee). Эта машина будет состоять из 80 км изгибающих магнитов для ускорения луча, а также квадрупольных магнитов, которые фокусируют луч перед столкновением в двух точках кольца.
Отчет FCC о концептуальном проекте является выдающимся достижением.
. Fabiola GianottiЭто демонстрирует огромный потенциал FCC для улучшения наших знаний в области фундаментальной физики и продвижения многих технологий с широким влиянием на общество
Это демонстрирует огромный потенциал FCC для улучшения наших знаний в области фундаментальной физики и продвижения многих технологий с широким влиянием на обществоFCC-ee, стоимость которого оценивается примерно в 9 миллиардов долларов, из которых 5 миллиардов долларов будут использованы для строительства туннеля, будет работать на четырех источниках энергии в течение 15-летнего периода. Коллайдер начнется с энергии 91 ГэВ, производя около 10 90 125 13 90 126 Z-бозонов за четыре года, а затем будет работать при 160 ГэВ, производя 10 8 Частицы W+ и W- на двухлетний период. Хотя частицы W и Z уже были измерены коллайдером LEP, предполагается, что машина FCC-ee улучшит такие измерения на порядок.
К тому времени, работая при 240 ГэВ в течение трех лет, FCC-ee сосредоточится на создании миллиона частиц бозона Хиггса. Это позволило бы физикам изучать свойства бозона Хиггса с точностью на порядок лучше, чем это возможно сегодня на LHC.
Наконец, коллайдер будет остановлен на год, чтобы подготовить его к работе на энергии около 360 ГэВ, чтобы произвести миллион пар вершин и антиволн в течение пяти лет. Более точные измерения таких частиц могут указать на отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые могут указать на новую физику.
Когда физическая программа для FCC-ee будет завершена, тот же туннель можно будет использовать для размещения протон-протонного коллайдера (FCC-hh) во многом так же, как LEP уступил место LHC. «FCC может быть ответом на действия LEP и LHC», — говорит теоретик Джон Эллис из Королевского колледжа Лондона. «Протон-протонный коллайдер даст лучший шанс открыть новые частицы».
Подробнее
Китай представляет проект огромной подземной «фабрики Хиггса»
FCC-hh будет использовать LHC и его прединжекторные ускорители для питания коллайдера, который может достичь максимальной энергии 100 ТэВ, что в семь раз больше, чем у LHC. Тем не менее, для получения такой энергии столкновения потребуется разработка новых магнитов, которые работают в более высоких магнитных полях, чтобы направлять луч вокруг коллайдера.
В настоящее время LHC работает со сверхпроводящими магнитами мощностью 8 Тл, изготовленными из сплавов ниобий-титан (NbTi). Сверхпроводящие магниты используются, поскольку они позволяют пропускать большие токи без рассеивания энергии из-за электрического сопротивления. Однако для FCC-hh с пучками 50 ГэВ вместо этого потребуются магниты мощностью 16 Тл, сделанные из ниобий-олова (Nb 3 Sn) сверхпроводник.
В настоящее время БАК находится на двухлетнем закрытии, чтобы улучшить его светимость — меру скорости столкновений частиц — в 10 раз. испытание с использованием сверхпроводящих дипольных магнитов 11 T Nb 3 Sn. Тем не менее, необходимо провести дополнительные исследования и разработки, прежде чем их можно будет использовать при 16 Тл. Учитывая потребность в исследованиях и разработках, а также высокие затраты на строительство магнитов, оценочная стоимость FCC-hh составит около 15 миллиардов долларов по сравнению с примерно 13 миллиардов долларов общей стоимости LHC.
Очень важно организовать глобальное сотрудничество в этом начинании. Это открывает возможность внесения значительных взносов натурой
Майкл Бенедикт
FCC-hh будет иметь полную интегрированную светимость около 15-20 абс -1 – в 5-10 раз больше, чем на HL-LHC – и соответствует 10 10 бозонов Хиггса производятся. Он также будет использоваться для поиска новых частиц с более высокими массами, чем это возможно на БАК, а также для обнаружения или исключения существования тепловых частиц темной материи, известных как вимпы. Как и в случае с LHC, FCC-hh также можно использовать в качестве коллайдера тяжелых ионов, сталкивая ионы свинца на расстоянии 39°.ТэВ для изучения таких эффектов, как кварк-глюонная плазма. Предполагается, что коллайдер будет работать не менее 25 лет, чтобы «предоставить исследовательский инструмент до конца 21 века».
” Отчет FCC о концептуальном проекте является выдающимся достижением.
Это демонстрирует огромный потенциал FCC для улучшения наших знаний в области фундаментальной физики и развития многих технологий, оказывающих широкое влияние на общество», — говорит генеральный директор CERN Фабиола Джанотти. «Представляя новые сложные задачи, FCC извлечет большую пользу из опыта CERN, ускорительного комплекса и инфраструктуры, которые разрабатывались более полувека».
Покажите мне деньги
Учитывая огромные затраты на строительство FCC, потребуется широкая поддержка со стороны сообщества, поэтому официальные лица ЦЕРН в последние годы были заняты созданием сотрудничества, которое в настоящее время состоит из 135 учреждений в 34 странах. «Очень важно, чтобы это начинание было глобальным сотрудничеством», — говорит физик CERN Майкл Бенедикт, который возглавляет проект FCC. «Это открывает возможность внесения существенных взносов в натуральной форме от сторон, которые являются экспертами в создании частей такой машины».
Даже если физики получат финансовую поддержку для создания FCC, остается вопрос, когда начинать строить машину.
Один из вариантов — начать с удвоения энергии LHC примерно до 30 ТэВ с высокоэнергетической модернизацией (HE-LHC). Тем не менее Бенедикт считает, что можно обойти HE-LHC и вместо этого обратиться прямо к FCC. В этом случае программа HL-LHC будет работать параллельно со строительством туннеля FCC, прежде чем остановиться примерно в 2037 году. Затем FCC-ee начнет работу примерно в 2040 году.
Подробнее
Строительство следующего коллайдера
Тем не менее, ЦЕРН не единственный, кто разрабатывает новые конструкции кругового коллайдера. В ноябре физики в Китае представили концептуальный проект собственного 100-километрового туннеля, в котором сначала будет размещена электронно-позитронная машина, а затем протон-протонный коллайдер, работающий на 100 ТэВ. Хотя строительство китайского коллайдера может начаться раньше, чем FCC, Бенедикт говорит, что между этими двумя конструкциями есть много общего. «Это хорошо, — добавляет Бенедикт. «Значительные усилия Китая подтверждают, что это правильный вариант и существует большой интерес к такой машине».
Это достаточно простой вопрос, но ответ на него оказывается довольно сложным: круговой или линейный коллайдер лучше всего подходит для проведения точных измерений бозона Хиггса?
Несмотря на то, что Большой адронный коллайдер (БАК) ЦЕРН производит большое количество бозонов Хиггса с тех пор, как эта частица была открыта в 2012 году, протон-протонные столкновения — не лучший способ изучить точные свойства частицы. Это связано с тем, что протоны не являются элементарными частицами, и поэтому их столкновения создают мусор, который влияет на точность измерений.
Однако это не тот случай, когда сталкивают электроны с позитронами, и именно поэтому физики элементарных частиц хотят построить такую машину для изучения бозона Хиггса и попытаться обнаружить любые крошечные отклонения, которые могут дать намеки на физику за пределами Стандартной модели. .
В течение многих лет физики разрабатывали линейные коллайдеры, которые могли бы работать в масштабе ТэВ. Одним из таких ведущих проектов является International Linear Collier (ILC), который Япония проявила интерес к размещению, хотя и в более дешевом воплощении, работающем на 250 ГэВ.
Из-за необходимости компенсировать потери энергии из-за синхротронного излучения, поскольку электроны ускоряются вокруг кольца, линейные коллайдеры предлагают более высокую светимость — меру скорости столкновений частиц — по сравнению с их круговыми аналогами для энергий столкновения более 400 ГэВ. Тем не менее, при энергиях ниже этого порога круглые коллайдеры имеют лучшую светимость, чем линейные коллайдеры, а также могут размещать несколько детекторов по всему кольцу.
Если бы масса бозона Хиггса составляла около 500 ГэВ или больше, большинство согласилось бы, что линейный коллайдер предлагает лучший путь вперед. Но с массой бозона Хиггса, равной 125 ГэВ, в дело вмешалась довольно большая кривая светимости. Это вернуло круговые коллайдеры на чертежную доску, и в течение последних пяти лет физики разрабатывали возможные альтернативы. Это привело к двум недавним предложениям — круговому коллайдеру будущего (см. основной текст) и китайскому круговому электронно-позитронному коллайдеру, проект которого был опубликован в ноябре прошлого года.