Фото коллайдер: В России создаются сверхпроводники для Кольцевого коллайдера будущего — Российская газета

Содержание

В России создаются сверхпроводники для Кольцевого коллайдера будущего — Российская газета

В Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) планируют построить в 2040 году суперколлайдер, по сравнению с которым знаменитый Большой адронный коллайдер с его 27-километровым кольцом покажется игрушкой. В проекте – кольцо протяженностью в 100 км, а мощность этого ускорителя на порядок больше, чем у БАК. Этот монстр должен наконец “закрыть” знаменитую Стандартную модель, которая уже исчерпала себя, и открыть новую физику, помочь понять секреты “темной материи”, “темной энергии”, причины отсутствия во Вселенной антиматерии и т.д. И дать возможность ученым получить новые Нобели. Стоимость проекта впечатляет – 21 миллиард евро. Для сравнения – БАК обошелся в 12 миллиардов долларов.

Вес достигнет 9000 тонн, длина превышает миллион километров

“Сердце” любого коллайдера – магнитные системы, которые разгоняют и управляют сталкивающимися частицами. Для создания мощнейших магнитных полей используются низкотемпературные сверхпроводники, которые работают при температуре (-273 С). В знаменитом БАК проложено несколько сотен тысяч самых разных сверхпроводящих кабелей из ниобий-титана, их общий вес около 1200 тонн. В новом ускорительном монстре вес достигнет 9000 тонн, а общая длина, по разным оценкам, превысит миллион километров. Важно подчеркнуть, что проблема не только в огромных масштабах сверхпроводников. Из 9000 тонн только треть должны быть из уже освоенного ниобий-титана, а намного большая часть из ниобий-олова. Дело в том, что только этот материал позволит достичь на коллайдере мощных магнитных полей в 16 тесла (в БАК они составляли 8 тесла).

– Изготовить такой сверхпроводник намного сложней, чем из ниобий-титана, – говорит руководитель проектов по сверхпроводящей тематике одной из компаний Росатома Михаил Шляхов. – Сегодня есть две технологии, одна проще, другая сложней. По первой мы сделали партию таких сверхпроводников для проекта ИТЭР, но он все-таки не позволит достичь тех параметров магнитного поля, которые требует ЦЕРН для будущего коллайдера.

Поэтому сейчас все страны, которые участвуют в создании сверхпроводников из ниобий-олова осваивают вторую более сложную технологию.

И вот только что в ЦЕРН успешно завершились приемочные испытания российских ниобий-оловянных сверхпроводников. Конструкция и технология их изготовления разработаны в московском ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, а партия проводов длиной 50 км выпущена на Чепецком механическом заводе в городе Глазов (оба предприятия входят в Топливную компанию ТВЭЛ – топливный дивизион Госкорпорации “Росатом”). Достигнуты рекордные показатели для российских технологий сверхпроводимости, такие как плотность критического тока в электромагнитном поле, коэффициент остаточного электросопротивления, эффективный диаметр провода. По итогам успешных испытаний продукции российская компания квалифицирована как поставщик сверхпроводников для программ ЦЕРН по разработке магнитов для сверхмощных ускорителей частиц.

Этот монстр должен наконец “закрыть” знаменитую Стандартную модель, которая уже исчерпала себя, и помочь понять секреты “темной материи”

Чем знаменитый БАК не устраивает физиков?

Физики сделали знаменитым на весь мир бозон Хиггса. Про эту частицу Бога и поймавший ее Большой адронный коллайдер (БАК) наслышаны даже домохозяйки. Но он покажется лилипутом рядом с машиной, которую сейчас задумали построить в Европейском центре по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

Зачем он нужен этот гигант? Чем БАК не устраивает физиков? Дело в том, что открыв бозон Хиггса, этот коллайдер одновременно закрыл последнюю страницу Стандартной модели, которая считается одним из самых главных достижений науки XX века. Физики надеялись выжать из БАКа и другие открытия, однако он больше не “плодоносил”. Если он и дальше будет только подтверждать Стандартную модель, это, по мнению лауреата Нобелевской премии профессора Сэмюэла Тинга, окажется большой неудачей. Словом, ученые считают, что модель себя исчерпала. Она не может объяснить множество фактов, скажем, природу “темной материи” и “темной энергии”, на которые приходится 95 процентов массы Вселенной и только 5 процентов на видимую – звезды и планеты. Здесь нужна новая физика. И добраться до нее физики надеются на ускорителе будущего.

В работе над его концепцией участвуют более 1,3 тысячи специалистов из 150 институтов и университетов всего мира. Если прорыв к новой физике произойдет, то на энтузиастов прольется настоящий дождь новых Нобелей.

Построить коллайдер на Луне

Пока космические агентства ведущих стран только планируют повторить миссии с посадкой человека на Луну, физики уже рассматривают возможность построить там гигантский коллайдер. Напомним, что сейчас диаметр кольца знаменитого огромного Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, разгоняющего частицы, почти 27 километров. В планах новый гигантский ускоритель с кольцом почти в 100 километров. Но, как говорится, аппетит приходит во время еды. Во всяком случае, фантазировать никто не запрещает. И вот Джеймс Бичем из Университета Дьюка и Франк Циммерман из ЦЕРН утрваждают, что “лунный” коллайдер может стать следующим инструментом для изучения тайн природы.

Конечно, в обозримой перспективе такой грандиозный инструмент не будет создан. Но идея очень заманчивая.

Ведь на Луне не действует множество земных ограничений, а значит, кольцо коллайдера может пройти просто по ее экватору и достичь почти 11 тысяч километров. Практически все сооружения понадобится устраивать на глубине, где они будут защищены от космической радиации и микрометеоритов. Но если будущей технике это окажется по силам, физики получат уникальный инструмент. По расчетам ученых, энергия протон-протонных столкновений в нем может достигать 14 ПэВ, что в тысячи раз мощнее, чем в Большом адронном коллайдере. Такой феномен, по мнению авторов идеи, может совершить самые невероятные открытия, о которых мы сегодня даже не догадываемся.

Большой адронный коллайдер – фабрика открытий новых адронов

Коллаборация одного из экспериментов Большого адронного коллайдера, LHCb, в которую входит также и группа ученых Высшей школы экономики, опубликовала сообщение об открытии новых тетракварков – экзотических адронов, состоящих из четырех кварков. Эти открытия стали возможны благодаря массивным выборкам данных, собранным экспериментом LHCb при помощи алгоритмов, разработанных в ВШЭ.

Большой адронный коллайдер (БАК) – это установка длиной 27 километров в Европейской организации по ядерной энергии (ЦЕРН), в которой ускоренные до 0.999999991 от скорости света протоны сталкиваются внутри четырех больших экспериментов. Адроны (греч. ἁδρός, что означает «крупный, массивный») – класс частиц, к которому в частности принадлежат протоны, что объясняет происхождение слова «адронный» в названии БАК.

До 1960-х годов адроны считались простейшими частицами, которые составляют вещество. Только в 1964 году, была предложена гипотеза о том, что адроны могут состоять из кварков и антикварков. Комбинации кварков могут находиться как в квантово-механическом состоянии с наименьшей энергией – основном состоянии, так и подобно электронам в атомах, кварки могут наблюдаться в возбужденных состояниях с различными значениями углового момента и ориентацией спинов кварков. Следуя традиции физики элементарных частиц, все эти квантовые состояния называются адронами и, в более общем смысле, частицами.

В кварковой модели адроны состоят из двух или более кварков связанных сильным взаимодействием. Они также сильно взаимодействуют между собой, как, например, протоны и нейтроны в ядре атома. Частицы, состоящие из пары кварк-антикварк, называются мезонами, состоящие из трех кварков (или трех антикварков) – барионами, из четырех – тетракварки, их также называют – экзотическими адронами. Также были открыты еще более редкие пентакварки.

В столкновениях протонов на БАК образуется огромное количество адронов. Однако для того, чтобы их эффективно реконструировать, а значит экспериментально наблюдать, требуются высококлассные детекторы.

На рисунке, взятом из новостей ЦЕРН показаны новые адроны, открытые на БАК с момента его запуска в 2010 году. Цвет символа, сопровождающего имя адрона, указывает на содержание кварков частиц. Адроны сгруппированы  согласно их массе и году открытия.

За 11 лет работы БАК учеными, сотрудниками научных коллабораций ATLAS, CMS и LHCb было обнаружено 59 адронов: в среднем почти по одному каждые два месяца. «Очевидно, что Большой адронный коллайдер в ЦЕРН – это огромная фабрика по обнаружению адронов. 52 из 59 открытых на БАК адронов были открыты учеными коллаборации LHCb, в которую входит также и группа исследователей ВШЭ», – говорит ведущий научный сотрудник ФКН ВШЭ Федор Ратников.

Четыре новых экзотических адрона были добавлены коллаборацией LHCb к этому списку сегодня. Два из этих новых тетракварков, Zcs (4000) + и Zcs (4220) +, состоят из (c anti-cus). Два других новых тетракварка, X (4685) и X (4630), состоят из c anti-c и s anti-s кварков.

НИУ ВШЭ присоединился к эксперименту LHCb в 2018 году. Группа, базирующаяся на факультете компьютерных наук ВШЭ совместно с исследователями Школы анализа данных Яндекса, приложила много усилий для оптимизации отбора интересных событий в реальном времени, улучшения качества идентификации различных типов частиц в детекторе. Большое количество данных, необходимых для совершаемых LHCb открытий обрабатывается алгоритмами, разработанными на факультете.

«Эти и другие улучшения стали возможны благодаря высочайшей экспертизе в области методов машинного обучения, накопленной на ФКН и использованной для получения экспериментом наилучших физических результатов», – подчеркивает Федор Ратников.

В настоящий момент на БАК проходит существенная модернизация. Начало следующей серии работы ускорителя запланировано через год. Коллективы ученых готовят эксперименты к набору новых данных, к новым современным методикам их обработки и новым открытиям.

Большой адронный коллайдер – новости, фото

Любовь Соковикова

12.04.2021,

Пока мы с вами заняты повседневными делами, ученые в ЦЕРН охлаждают почти до абсолютного нуля антиматерию и вообще-то стоят на пороге открытия Новой физики. И так как нет на свете ничего интереснее чем тайны мироздания, предлагаю ненадолго отложить дела и погрузиться в изумительный мир физики. Начнем с того, что теорию антиматерии впервые предложил английский физик-теоретик, один из создателей квантовой теории Поль Дирак в 1928 году.

Всего четыре года спустя его теория получила подтверждение. Сегодня мы знаем, что антиматерией ученые называют эфирную противоположность материи. Ее частицы идентичны своим материальным двойникам, за исключением их физических свойств – там, где электрон имеет отрицательный заряд, его антиматериальный двойник, позитрон, имеет положительный. Причина, по которой мы не сталкиваемся с антиматерией так часто, как с обычной материей, заключается в том, что они аннигилируют друг с другом при контакте, что чрезвычайно затрудняет хранение и изучение антиматерии в повседневной жизни.

Читать далее

Любовь Соковикова

В 2008 году в Европе состоялся запуск гигантского ускорителя заряженных частиц Большого адронного коллайдера (БАК). Тогда казалось, что мир словно сошел с ума. Но не от радости за достижения современной науки, а от ужаса перед неизведанным – слухи о том, что запуск БАК приведет к созданию черной дыры и неизбежному концу света распространялись с молниеносной скоростью. И сколько бы физики не объясняли, что коллайдер разгоняет элементарные частицы до околосветовых скоростей и сталкивает их друг с другом и этот процесс не может привести к апокалипсису, истинно верующие до сих пор глаголят, что коллайдер – есть начало конца. Это может показаться удивительным, но в чем-то они, вероятно, оказались правы. Новая работа ученых из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) предрекает конец нашим представлениям о физике: полученные результаты указывают на новую силу природы за пределами Стандартной модели, которую ученые не понимают.

Читать далее

Владимир Кузнецов

Большой Адронный Коллайдер (БАК) является очень важной установкой для проведения экспериментов в области изучения элементарных частиц. Но недавно исследователи придумали, как извлечь из БАК максимальную пользу. Причем с поиском темной материи или же с другими опытами она никак не связана. Область применения установки куда более приземленная. С ее помощью хотят отапливать близлежащие дома.

Читать далее

Илья Хель

27.04.2019,

Теперь, когда ученые нашли бозон Хиггса, Большой адронный коллайдер будет искать еще более неуловимую цель: темную материю. Нас окружают темная материя и темная энергия — невидимые субстанции, которые связывают галактики, но никак себя не выдают. В новой работе излагается инновационный метод поиска темной материи силами Большого адронного коллайдера за счет эксплуатации относительно медленной скорости потенциальной частицы.

Читать далее

Николай Хижняк

После того, как в 2021 году ускоритель заряженных частиц Большой адронный коллайдер (БАК) вновь будет запущен после обновления и сможет снова сталкивать частицы друг с другом, ученые надеются, с помощью него наконец открыть неуловимую темную материю. Физики не одно десятилетие тщетно пытаются обнаружить частицы темной материи, на которые приходится основная масса нашей Вселенной. Однако теперь у исследователей появилась новая цель в этих поисках: относительно тяжелая и долгоживущая частица, которую можно получить в результате высокоэнергетических столкновений на БАК.

Читать далее

Илья Хель

Все, что вы видите вокруг, состоит из элементарных частиц — кварков и лептонов, которые могут объединяться с формированием более крупных частиц, таких как протоны или атомы. Но этим не ограничивается: эти субатомные частицы могут также соединяться экзотическим образом, какого мы никогда не видели. Коллаборация ЦЕРН LHCb объявила об открытии новых частиц, которые получили название «пентакварков». Результаты их работы могут помочь нам открыть множество загадок теории кварков, важнейшей части Стандартной модели.

Читать далее

Илья Хель

Европейская лаборатория физических исследований ЦЕРН заявила, что планирует новый эксперимент по поиску частиц, связанных с темной материей, которая, как предполагают, составляет около 27% Вселенной. Эксперимент будет проводиться там же, где расположен Большой адронный коллайдер — гигантская лаборатория в 27-километровом туннеле на французско-швейцарской границе. Его задачей станет поиск «легких и слабо взаимодействующих частиц».

Читать далее

Илья Хель

23.01.2019,

Если физики элементарных частиц добьются своего, новые ускорители смогут в один прекрасный день тщательно исследовать самую любопытную субатомную частицу в физике — бозон Хиггса. Спустя шесть лет после открытия этой частицы на Большом адронном коллайдере, физики планируют новые огромные машины, которые будут растягиваться на десятки километров в Европе, Японии или Китае.

Читать далее

Илья Хель

На самом деле, я намеренно допустил ошибку в заголовке. Коллайдеры — вполне себе природное явление, которое часто встречается в нашей Вселенной. Частицы сталкиваются и расщепляются в звездах и черных дырах при энергиях, которые даже вообразить сложно. Однако гордость просыпается, когда понимаешь, что человек пытается построить нечто подобное. Сегодня исследовательский центр, который принес нам новости о непостижимо крошечных частицах, удостоенных Нобелевской премии, заявил о планах стать намного больше.

Читать далее

Владимир Кузнецов

Большой Адронный Коллайдер — это одно из самых удивительных изобретений человечества, ответственное за открытие многочисленных субатомных частиц, включая неуловимый бозон Хиггса. И в последнее время новые данные намекают на новые открытия за пределами Стандартной модели. И это очень удивительно, ведь, как утверждают ученые, мы можем расшифровать менее 1% данных от ускорителя. Поэтому открытия БАК можно назвать «большим везением». Или же все-таки нет?

Читать далее

Коллайдер NICA: достать до нейтронных звезд

12 янв. 2021 г., 14:19

Портал «Научная Россия» опубликовал интервью директора Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Владимира Кекелидзе В Дубне продолжается строительство коллайдера тяжелых ионов NICA, где будут изучать кваркглюонную материю — состояние вещества, которое находится в недрах нейтронных звезд. Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне уже получили из Италии ключевой элемент исследовательской установки MPD (Multi-Purpose Detector) строящегося ускорительного комплекса — катушку сверхпроводящего соленоидального магнита. Об уникальной логистической операции и о том, зачем мировой науке нужен проект NICA, рассказал член-корреспондент РАН Владимир Димитриевич Кекелидзе, и.о. вице-директора ОИЯИ по мегасайенс проекту NICA, директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина

– Владимир Димитриевич, в Дубне состоялось уникальное событие: из Италии привезен главный элемент детектора будущего коллайдера NICA — сверхпроводящая катушка магнита. Сложно ли было организовать логистику операции доставки?

– Сам по себе магнит такого размера — уже исключительное инженерное сооружение. Причем мы должны не просто получить катушку с большим объемом магнитного поля, внутри которого будут располагаться детектирующие элементы, но нам необходимо будет создать поле очень высокой однородности; это позволит восстанавливать с высокой точностью процессы, которые мы будем изучать входе столкновения ионов на пучках коллайдера.

Ярмо самого магнита уже в нашем институте, это железо весом около 700 т. Катушка, создающая поле, проектировалась в России («Нева-Магнит»), но собиралась в Италии на известном предприятии ASG Superconductors. Компания уже имела опыт изготовления похожих катушек, в частности для одного из детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), поэтому мы выбрали именно эту фирму.

Процесс изготовления занял около пяти лет. Почему так долго? Потому что прежде чем создать магнит такого размера, обеспечивающий магнитное поле высокой однородности, причем из уникальных материалов, надо было спроектировать и сделать набор инструментов, с помощью которого изготавливаются основная и корректирующие катушки, криостат (вакуумный сосуд) и многие другие элементы магнита. Кстати, этот набор инструментов — намоточная машина, механическая оснастка, внушительных размеров печь для запекания обмотки — имеет гораздо большие размеры, чем сама катушка.

Несколько лет ушло на разработку и создание этого набора инструментов, с помощью которого надо было протестировать сверхпроводящий кабель для катушки, поскольку она работает при температуре, близкой к нулю по абсолютной шкале Кельвина, намотать основную и корректирующие катушки. Далее необходимо было изготовить криостат и поместить в него основную катушку — и это тоже очень непростая инженерная задача, — затем все собрать, обеспечить вакуум в криостате и испытать.

И, наконец, сегодня криостат со сверхпроводящей катушкой внутри прибыл к нам в Дубну! Крайне сложная логистическая операция завершилась успешно. Вся процедура доставки заняла чуть больше месяца, но волнений было очень много.

– Доставка была возможна только по воде?

– Да, из-за размера и веса криостата с катушкой. По пути из Генуи в Дубну груз побывал в красивейших местах России: в порту Санкт-Петербурга, на Ладожском, Онежском, Белом озерах и реке Волге.

Саркофаг с нашим инженерным сооружением внутри был погружен на корабль в Генуе 25 сентября. Ровно через месяц он прибыл в порт Северной столицы, где был разгружен и растаможен, а оттуда его перегрузили на баржу с буксиром и отправили к нам в Дубну.

5 ноября мы, собравшиеся у порта местные жители и журналисты стали свидетелями того, как долгожданная «посылка» перегружается с баржи на автомобильную платформу. Для этого был задействован самый мощный мобильный портовый кран в мире — Liebherr LHM 800. Затем автомобильная платформа должна была преодолеть последнюю дистанцию, перед тем как попасть к месту назначения. — дорогу от порта Дубны до нашего института, около 3 км. Машина прошла этот путь за несколько часов. Из-за больших габаритов груза (высота — 7.6 м) в городе на это время даже пришлось отключить электричество: в двух местах нужно было проехать под высоковольтными линиями. Потребовалось их обесточить, согласно технике безопасности, заземлить и слегка приподнять, чтобы груз смог пройти.

Задача по перевозке криостата с катушкой из Италии усложнялась тем, что навигация обычно заканчивается в середине или в конце ноября. Поэтому мы переживали, успеем или нет, ведь кроме того, что груз нужно доставить в Россию, еще необходимо успеть его растаможить в порту Санкт-Петербурга. К счастью, благодаря серьезной подготовительной работе наших служб и согласованным действиям с таможней груз удалось провести через таможню в установленный срок.

Коллайдер NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility)

Коллайдер NICA — новый ускорительный комплекс, который создается на базе ОИЯИ для изучения свойств плотной барионной материи.

Ожидается, что ученые смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества — кварк-глюонную плазму, которое существует в недрах нейтронных звезд. С помощью коллайдера NICA физики надеются получить новые знания о строении ядерной материи (одна из целей — поиск критической точки на фазовой диаграмме ядерной материи) и решить ряд фундаментальных и прикладных задач. В реализации международного проекта участвуют более 20 стран мира. Ввод всего комплекса в эксплуатацию намечен на 2023 г.

В лабораторных условиях ученые смогут наблюдать, как бесконечно малые частицы — кварки — начнут группироваться и образовывать обычное ядерное вещество. Подобный процесс происходил при несколько других условиях во время рождения Вселенной.

– Правда ли, что NIСА будет работать с такими энергиями и состояниями вещества, которые недостижимы на других установках, например, на том же БАК?

– Вы правы. Каждая установка, коллайдер или просто ускоритель, детектор, нацелена на определенный круг задач. Задача БАК — приблизиться к максимально достижимым энергиям, которые вообще возможны на данном этапе технологического развития. Достигнутые энергии позволили открыть бозон Хиггса, ведь проект изначально и был на это ориентирован.

В нашем же случае задача — достичь максимальной возможной в лабораторных условиях и вообще во Вселенной плотности ядерной материи. Такое ядерное состояние вещества ожидается в недрах нейтронных звезд, там, где очень большая гравитация и где обычные ядра переходят не просто в свои составляющие — протоны и нейтроны, а где последние, сжимаясь, превращаются в «кашу» из кварков и глюонов.

Вот такую «кашу» из кварков и глюонов мы и будем создавать, но только не путем гравитационного сжатия, как в нейтронных звездах, а путем столкновения тяжелых ядер, например, двух ионов золота, при вполне определенной энергии. Причем если энергия будет ниже оптимальной — около 10 ГэВ на каждый нуклон иона, — то не удастся разрушить ядро и нуклоны, а если, напротив, выше, то не удастся создать большую ядерную плотность. Поскольку мы нацелены на исследование ядерной материи максимальной плотности, нам нужны вполне определенные энергии и определенные ядра, которые мы будем сталкивать.

Хочу, кстати, отметить огромный вклад ученых и инженеров Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, без поддержки которых мы вряд ли решились бы на реализацию столь амбициозного проекта, как NICA.

– Что представляет собой ядерная материя, о которой вы упомянули?

– Ядерная материя — достаточно широкое определение. В нашем случае это барионная материя. Абарионы, барионная материя — это все, что нас окружает, из чего состоите вы, я и весь окружающий нас мир, потому что барион — это протон или нейтрон, а все ядра состоят из протонов и нейтронов. Так что материя — это в основном барионы, а антиматерия — антибарионы. Накопить максимальное количество барионов в единице объема и есть наша задача, то есть загнать в микроскопический объем максимальное количество ядер.

– Таким образом, вы получите состояния, схожие с теми, что существуют в недрах нейтронных звезд? А ведь предполагают, что внутри нейтронных звезд как раз н находятся кварки, а сверху — оболочка из нейтронов.

– Все верно. Ожидается, что внутри нейтронных звезд будет «каша», или «суп», из кварков и глюонов. И вот на какое-то мгновение в микроскопическом объеме мы надеемся получить с помощью коллайдера NICA то же самое состояние материи, а потом постараться понять, как она переходит из одной фазы в другую (из привычной нам фазы исходных ядер, сталкивающихся в коллайдере в кварк-глюонную материю) и, остывая, возвращается в начальную фазу, формируя уже новые частицы и ядра.

– Тогда я не могу не задать, наверное, самый популярный вопрос: а не создадим ли мы тем самым нейтронную звезду «в пробирке»? Помню, когда строился БАК, многие неспециалисты всерьез опасались, что там случайно родится черная дыра и всех нас погубит. Насколько правдоподобны такие сценарии?

– Никаких глобальных угроз в ускорительных экспериментах нет. Здесь, как и в любых технически сложных установках, есть риски механических повреждений плюс опасность облучения: например, если кто-то попадет под пучок заряженных частиц. Кстати, такие случаи в мировой практике бывали.

В отличие от реакторов, где сложно управлять ядерным процессом, в ускорителях заряженных частиц все устроено проще: вы выключили рубильник, отключили электричество — и у вас больше нет ни радиации, ни пучков элементарных частиц. Поэтому коллайдер — весьма безопасный прибор, но обращаться с ним нужно очень осторожно, как и с любым сложным инструментом.

Что же касается опасных природных явлений, которые якобы могут быть воспроизведены путем таких экспериментов, то это, конечно, полная глупость. Никакой угрозы эти опыты не несут, потому что все, что там происходит, это настолько микроскопические масштабы, что вы их даже не сможете увидеть ни под каким оптическим микроскопом.

Кстати, сам по себе детектор нашего коллайдера, MPD, и есть весьма сложный микроскоп, создаваемый для того, чтобы увидеть, распознать то, что происходит в масштабах порядка Ферми или нескольких Ферми, а Ферми — это 10-13 см.

– Есть такое необычное явление при фазовом переходе из одного состояния вещества в другое, скажем, из жидкости в пар, когда поведение физических величин становится универсальным. То есть кривая фазового перехода заканчивается некоей критической точкой, вблизи которой даже самые разные вещества (например, железо, вода) ведут себя совершенно одинаково, и это поистине удивительно! Планируется ли изучать это явление на уровне ядерной материи с помощью коллайдера NICA?

– Да, такое интересное явление действительно может существовать. Фазовая диаграмма ядерной материи наглядно показывает эти переходы. Скажем, если отложить по горизонтальной оси плотность барионов, а по вертикальной шкале — энергию или температуру (что фактически одно и то же), то при повышении температуры ожидается плавный фазовый переход в кварк-глюонное состояние в области минимальной плотности барионов; это уже было показано в экспериментах на БАК и на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Ожидается, что в эксперименте на коллайдере NICA, в условиях большой барионной плотности, должен существовать фазовый переход первого рода, при котором характерные параметры состояния материи изменяются скачком. Так вот сам по себе фазовый переход первого рода, если он будет обнаружен, станет важным открытием. А если есть фазовый переход первого рода и есть в какой-то части диаграммы плавный переход, то между ними должна быть критическая точка. Это уже фазовый переход второго рода.

Такое открытие может стать сенсацией и позволит глубже понять свойства кварковой материи.

– Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся зафиксировать свободные кварки?

– Многие знают из научно-популярной литературы, что каждый протон и нейтрон состоит из трех кварков. Чтобы вырвать кварки оттуда, необходима огромная сила, поскольку кварки в нуклонах (нейтронах и протонах) связаны так называемым сильным взаимодействием, максимальной из известных сил природы. И кварки не могут существовать в природе самостоятельно. Если вырвать кварк из протона или нейтрона, то он мгновенно находит себе пару — антикварк — и образует частицу — мезон; или находит еще два кварка и образует опять же протон или нейтрон. Но если кварки сильно сблизить, то взаимодействие между ними ослабевает и кварки становятся квазисвободными.

– Но ранее их свободными ни разу не видели?

Верно. Свободными они могут быть лишь ничтожное мгновение и при определенных условиях. Чтобы получить свободные кварки, нужно невероятно плотно сжать материю, и вот в таком состоянии кварки становятся свободными и забывают своих «родителей»: кому они принадлежали, какому протону или нейтрону. Они перемешиваются, взаимодействуют и, объединяясь, воспроизводят новые частицы: новые протоны, нейтроны, более легкие частицы — мезоны, — словом, весь спектр элементарных частиц, который известен сегодня.

– Мы знаем, что кварки удерживаются между собой глюонами, справедливо получившими свое название от английского слова glue («клей»). Существует интересная гипотетическая частица глюбол, состоящая исключительно из этого клея. Как вы относитесь к подобной идее?

– Идея вполне здравая. Есть ряд экспериментов, в которых ищут так называемые глюболы, но сегодня, насколько мне известно, нет явных доказательств их существования. Глюбол теоретически может существовать и имеет право на жизнь. Глюоны — это переносчики сильного взаимодействия, так же как фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия. Электроны, позитроны или любые заряженные частицы могут излучать фотоны. Тепло и свет, которые нас согревают и освещают, — это тоже фотоны. В сильных взаимодействиях роль фотонов играют глюоны, только они переносят не электромагнитные, а сильные взаимодействия. Они как раз и связывают кварки между собой.

– Считается, что кварк — это фундаментальная частица, мельче которой ничего нет. Но можно ли предположить, что у кварка все же есть структура, то есть более мелкие элементы? Поможет ли NICA ответить на этот вопрос?

– Какой-то коллайдер, возможно, и поможет, но уж точно не наш. Даже Большой адронный коллайдер не проникнет в структуру кварков. Если там и есть структура, то для ее обнаружения нужны гораздо большие энергии, чем у того же БАК. Дело в том, что чем глубже и тоньше внутренняя структура, чем она мельче, тем более высокие требуются энергии для ее распознавания. На сегодня, конечно, кварки считаются точечной, то есть бесструктурной частицей, хотя они имеют массу и даже определенный размер. Не исключено, что на самом деле кварки могут иметь структуру, но это — и новые теоретические идеи, и эксперименты далекого будущего, а не нашего поколения.

– То есть там нужны принципиально новые ускорители?

Следующий ускоритель, который, возможно, построят в CERN, будет иметь периметр не 27 км, как сейчас, а уже 100 км. Но и этого, скорее всего, будет недостаточно для разрушения кварка и обнаружения его внутренней структуры, если таковая имеется.

Кстати, попытки сделать ускорители, коллайдеры масштаба БАК предпринимались неоднократно. Первая попытка была у нас — это Ускорительно-накопительный комплекс (УНК) в Протвине, вторая — SSC в Техасе, третья, оказавшаяся самой удачной, — БАК в CERN. Но, видимо, в будущем останется лишь одна международная организация, обладающая установкой столь глобального масштаба, потому что слишком уж расточительно делать несколько мощнейших коллайдеров. И именно международное сотрудничество и глобализация позволяют оптимизировать ресурсы и усилия, чтобы создавать такие мощные ускорители.

– Чем больше диаметр ускорителя, тем сильнее можно разогнать частицы?

Да. В целом, чем длиннее ускорительная установка, тем до больших энергий можно разогнать – частицы. В этом плане кольцевой ускоритель — наиболее выгодная конструкция, потому что частицы многократно пробегают ускоряющий блок и каждый раз ускоряются все сильнее.

В этом кольце будущего ускорителя, бустера, которое вы сейчас видите перед собой, для того чтобы разогнать частицы до заданной энергии, нужно сделать около 1 млн оборотов. Кольцевой ускоритель в этом отношении выгоден, так как вы можете гонять частицы по кругу сколько угодно и каждый раз, подталкивая, разгонять их. Но для того чтобы обеспечить движение заряженных частиц по кругу, необходимы магниты, ведь известно, что в магнитном поле заряженная частица летит по траектории окружности. Чем выше энергия частицы, тем больше радиус траектории в одном и том же магнитном поле. Поэтому радиус любого кольцевого ускорителя определяется энергией ускоряемых частиц и величиной магнитного поля.

Сегодня максимальное магнитное поле, которое применяется в ускорителях, — 8 Тесла. Именно на восьмитесловых сверхпроводящих магнитах и был построен БАК. Такие магниты позволили достичь энергии 14 ТэВ в существующем туннеле. Если же мы хотим увеличить в два раза энергию, то при том же магнитном поле нам необходимо в два раза увеличить радиус кольца или в два раза усилить магнитное поле в том же кольце. Новый коллайдер, скорее всего, будет создаваться на магнитах 16 Тл, но надежное производство таких магнитов пока не налажено и понадобится лет десять для того, чтобы научиться создавать подобные магниты.

– А это в принципе возможно?

Да. Прототипы таких магнитов уже изготавливают в CERN. CERN поставил задачу в течение десяти лет доработать технологию подобных магнитов и обеспечить их серийное производство.

Поэтому если вы просто увеличите магнитное поле в два раза в том же кольце, вы в два раза можете увеличить и энергию разгоняемых частиц. А если хотите получить еще большую энергию, то вам нужно пропорционально увеличивать и радиус кольца. Посчитайте сами: 100 км — в четыре раза больше, чем периметр Большого адронного коллайдера, и магниты с еще более обширным полем (в два раза), поэтому и энергия будет почти на порядок выше.

– До какой скорости будут разгоняться частицы в коллайдере NICA?

– Это уже так называемые релятивистские скорости. При энергиях коллайдера NICA частицы летят практически со скоростью света.

– Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся заглянуть в прошлое Вселенной. О каком отрезке времени идет речь?

Чем выше энергия, тем ближе к началу Большого взрыва вы можете заглянуть. В этом отношении, конечно, БАК наиболее близок к тому, чтобы разглядеть или понять то, что происходило в первые мгновения Вселенной. То, что мы будем воссоздавать на коллайдере NICA, — это более поздний период, когда возникла ядерная материя большой барионной плотности, которая существует в природе только в нейтронных звездах. Других объектов, в которых она могла бы быть, мы на сегодня не знаем.

По времени это тот период, когда уже были звезды и при их столкновениях образовывались в частности нейтронные звезды. Это происходило спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва.

– Мы много говорили о привычной для нас барионной материи, а занимается ли кто-либо всерьез поисками антивещества, антиматерии?

– Антивещество — вопрос очень интересный. Все мы знаем из научно-популярных книг, что в момент возникновения Вселенной был полный баланс вещества и антивещества. Но потом в силу разных причин, из-за нарушения СР-симметрии, несохранения барионного числа и нарушения теплового равновесия, стало доминировать вещество. Возникла небольшая разница превалирования вещества над антивеществом. Эта разница и есть Вселенная, которую мы сегодня знаем.

Поиск антивещества во Вселенной ведется, но оно до сих пор не найдено. Куда оно делось? Это одна из больших загадок. Проводится много экспериментов по поиску антиматерии. Кстати, искусственно синтезировать антивещество можно, и первые такие успехи уже были достигнуты в CERN, где на мгновение были синтезированы несколько атомов антиводорода. Они были удержаны в специальной ловушке. Но это всего лишь несколько атомов, притом на очень короткое время.

– Исследования на коллайдере NICA будут иметь сугубо фундаментальный характер или прикладная составляющая тоже присутствует?

В основном наши исследования нацелены на фундаментальные результаты, на получение новых знаний в той области, в которой их еще нет или они очень скудны. Пока никто не знает, какие открытия нас ждут. Но нашим приборам присущи большие масштабы и технологическая сложность, для их создания часто требуется решение новых инженерных задач, вот вам и первый практический аспект. В процессе таких решений возникают интересные инженерные и технологические результаты, которые можно будет применить в практических целях.

Кстати, хороший пример — интернет. Он не создавался в CERN целенаправленно, а понадобился для того, чтобы обмениваться большими объемами данных по специальному протоколу; он был создан для ученых, а впоследствии оказался неотъемлемой частью всей современной жизни. Таких примеров, когда инженерные сооружения, созданные для науки, нашли свое применение в народном хозяйстве, немало.

Кроме того, в рамках проекта NICA мы предусматриваем создание зоны для прикладных работ, где ученые и инженеры будут заниматься практическими исследованиями. Ускоритель — это уникальный инструмент, который позволяет не только проводить фундаментальные исследования, но и получать прикладные результаты.

Одно из наших традиционных направлений — изучение работы электроники в сложных радиационных условиях. Такие исследования необходимы не только для того, чтобы создавать электронику, работающую близко к реакторам, но и для космических полетов; ведь в космосе происходит интенсивное облучение всевозможными частицами, в том числе теми, которые будут доступны на нашем ускорителе. Поэтому для разработки радиационно стойкой электроники будет создана зона прикладных исследований.

С вводом комплекса NICA планируется продолжить испытание биологических объектов на их устойчивость к радиационному воздействию, потому что, если мы хотим летать к далеким звездам, да что там к звездам — даже к Марсу, необходимо рассчитать, какая доза радиации будет получена космонавтами. Подобные исследования ведутся давно. В ОИЯИ есть лаборатория радиационной биологии, где ученые используют пучки уже существующих ускорителей для таких работ. На комплексе NICA мы хотим создать специальную зону, где биологические объекты будут облучаться, благодаря чему можно будет понять, как они меняют свои свойства под воздействием радиации.

В далеком космосе существует опасность облучения ионами, вплоть до железа. Все эти ионы мы сможем воспроизводить на нашем комплексе, чтобы облучать биологические объекты тем спектром частиц, который будет присутствовать при космических полетах.

Если говорить об ожиданиях в целом, прежде всего в области фундаментальных исследований, то мы нацелены на изучение фазовых переходов в ядерной материи — поиск фазового перехода первого рода, поиск критической точки, о чем вы сегодня уже спрашивали; а на пути к этим целям мы, надеюсь, узнаем много нового и интересного. Однако и прикладные исследования принесут ряд практически применимых результатов.

– В ваших исследованиях будут использоваться технологии искусственного интеллекта?

– Искусственный интеллект — настолько широкое понятие, что даже сложно ответить. Конечно, многие процессы нужно автоматизировать. Ведь автоматизация — тоже в каком-то смысле искусственный интеллект, вопрос только в том. насколько он интегрирован и требует вмешательства обычного, естественного интеллекта.

Для управления многими блоками детекторов и коллайдера NICA будут разработаны программы и системы управления, которые не представляют собой ИИ в узком смысле этого термина, но имеют важные элементы автоматизации, такие как система обратной связи, чтобы корректировать свои действия в зависимости от характера внешних условий. Подобные системы уже существуют на всех крупных современных высокотехнологичных установках. Понятно, что проводить экспериментальные исследования будут ученые, а не искусственный интеллект, ведь мы имеем дело с поиском и изучением неизведанных явлений и свойств природы.

– Какая судьба ждет коллайдер после того, как он отслужил свое? Их обычно как-то утилизируют или разбирают на запчасти?

– В мировой истории коллайдеров было не так много, и первые из них. кстати, были отнюдь не плохи. Есть классический пример — коллайдер ISR в CERN. По ряду параметров он был совершенен. хоть и запущен в 1970-е гг. Прослужил совсем немного, до средины 1980-х гг., и был разобран. Только недавно, в 2004 г., на коллайдере Тэватрон (США) были достигнуты параметры, характерные для того пионера из 70-х гг. прошлого столетия.

Конечно, каждый коллайдер нацелен на решение определенных задач. Когда задачи решены и нет других, подходящих для его профиля, коллайдер или разбирают, или утилизируют, или он частично входит в состав другого, более сложного комплекса ускорителей.

Беседовала Янина Хужина, портал «Научная Россия»

Источник: http://indubnacity.ru/intervyu/kollayder-nica-dostat-do-neytronnyh-zvezd1

Мишустин осмотрел в Новосибирске коллайдер ВЭПП-2000 и узнал о поисках “новой физики” – Политика

НОВОСИБИРСК, 5 марта. /ТАСС/. Премьер-министр Михаил Мишустин посетил в пятницу Институт ядерной физики имени И. Г. Будкера Сибирского отделения (СО) РАН. Здесь главе правительства продемонстрировали электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2000, рассказали об эксперименте по поиску “новой физики”, а также о текущем статусе проекта ЦКП “СКИФ”.

Директор института, академик РАН Павел Логачев продемонстрировал Мишустину коллайдер. “Здесь получено в районе 20% всех числовых значений, которые входят в современную физику элементарных частиц. Здесь с лучшей точностью измерены массы около половины всех известных элементарных частиц”, – рассказал он. По словам Логачева, именно на этом коллайдере впервые был разработан сам метод встречных пучков, когда сталкивается материя и антиматерия, а также множество технических и физических находок, которые позволили осуществить этот уникальный метод.

“Сегодня в этом месте проводится самый яркий и самый интересный эксперимент по поиску “новой физики”, той самой физики, которая выходит за рамки современной теории стандартной модели”, – сообщил Логачев. Половину эксперимента проводят новосибирские ученые-ядерщики, вторую половину – физики в лаборатории Фермилаб под Чикаго.

Мишустин осмотрел два зала, где находятся части коллайдера. Кратко ему описали схему формирования пучков электронов и позитронов, а также места их столкновения в коллайдере. Премьер также ознакомился с выставкой экспериментального опытного производства института. В частности, ему показали узлы высокочастотного резонатора для строящегося в Дубне коллайдера тяжелых ионов NICA, импульсный квадрупольный магнит, катодный узел.

Коллайдер и СКИФ

Рассказывая об эксперименте по поиску “новой физики”, Логачев отметил, что к его завершению и получению первого результата в текущем году ученые шли 15 лет. “В лаборатории имени Ферми под Чикаго сделана машина тоже с сильным нашим участием. Она в два раза больше, чем вот эта”, – указал он на коллайдер.

Ученый пояснил, что в США проводится прямое измерение магнитного момента мюона (позволяющего с очень высокой точностью проверить Стандартную модель), и добавил, что без коллайдера просто на компьютере невозможно совершить это измерение. “В этом году, в конце Года науки, мы выдадим результат: “новая физика” есть, размер ее в магнитном моменте мюона примерно два на десять, минус семь, и эта цифра даст нам направление, какие теории отбросить, а какие оставить”, – заявил Логачев. “Это и есть вклад российской науки в “новую физику”, – заметил в ответ Мишустин. Директор института подчеркнул, что это будет результат нобелевского уровня, “потому что никаких других в ближайшие десять лет экспериментов по обнаружению “новой физики” не видно”.

Мишустину также представили проект Центра коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов” (СКИФ), который является уникальной научной установкой класса мегасайенс, ключевой момент которой – технологически сложное оборудование длительного цикла использования. Объект представляет собой единый комплекс зданий, инженерного и технологического оборудования, обеспечивающего выполнение международных научных исследований на пучках синхронного излучения.

“Замечательно, что такие проекты мы сегодня создаем. Очень важно только все это доделать до конца, чтобы мы ввели это в эксплуатацию”, – подчеркнул Мишустин. Ученые заверили, что к 2024 году объект начнет функционировать.

Глава правительства обратил внимание, что возможность создавать такие как СКИФ проекты – это результат труда талантливых ученых, работающих в России. “Мне кажется, очень важно соединить наши университеты, нашу науку непосредственно с промышленностью, с теми, кто будет производить и соответствующие результаты научных исследований внедрять во все элементы нашей жизни, потому что у нас есть замечательные НИОКР, есть талантливые люди, которые создают уникальные технологии, однако с внедрением в рутинную производственную цепочку есть проблемы”, – сказал премьер-министр, попросив коллег в правительстве уделить этому вопросу особое внимание.

На базе СПбГУ открывается центр управления Большого адронного коллайдера

Город 06 Апреля 2021

На базе СПбГУ открывается удаленный центр управления и мониторинга Большого адронного коллайдера.

ФОТО pixabay

Петербургские ученые работают на БАКе не просто с самого начала: коллайдера не было бы без петербургских разработок. В самой большой лаборатории на планете (она находится на территории Франции и Швейцарии под землей) работают 1300 ученых из 110 научных организаций 36 стран. Петербуржцы участвуют в двух крупных экспериментах ALICE и Shine: наблюдая столкновение частиц, получают понимание о Вселенной в первые мгновения после рождения.

Теперь работать на коллайдере можно и удаленно. По словам проректора по науке СПбГУ Сергея Микушева, необходимость создавать удаленные центры возникла из-за пандемии, петербургский вуз первым организовал у себя такую структуру.

По сути это компьютерный центр. Как говорит Микушев, сложности были не столько технические, сколько психологические. По его словам, физики «прогрессивны, но привержены традициям» – предпочитают непосредственное участие в процессе. «Надо было людям перестроиться и принять новую повседневную реальность». Проректор отмечает, что командировки на площадку и личное общение с коллегами важны, но удаленный центр даст возможность работать непрерывно, в том числе аспирантам и студентам.

Центр расположится на площадке физфака СПбГУ в Петергофе. Если будет необходимость, появится вторая точка – в василеостровском кампусе на Университетской набережной.

Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 59 (6897) от 06.04.2021 под заголовком «Коллайдером поуправляют из СПбГУ».


Материалы рубрики

Большой адронный коллайдер столкнулся с новыми проблемами

Низкое качество электрических контактов в магнитах Большого адронного коллайдера может привести к тому, что энергия протонов не будет поднята выше 3,5 ТэВ

Низкое качество электрических контактов в магнитах Большого адронного коллайдера может привести к тому, что  в течение 2010-11 годов энергия протонов не будет поднята выше 3,5 ТэВ по соображениям безопасности.

Большой адронный коллайдер – самый мощный в истории человечества ускоритель заряженных частиц. Считается, что пучки разгоняемых навстречу друг другу тяжелых протонов могут создать условия, близкие к тем, которые существовали в первые микросекунды после Большого Взрыва. Одной за главных задач коллайдера является получение бозона Хиггса – теоретически предсказанной элементарной частицы, которая отвечает за массу элементарных частиц.

Как сообщали ЮГА.ру, БАК был впервые включен в сентябре 2008 года, однако после пуска произошла авария, которая была вызвана повреждением одного из магнитных реле на клапане, регулирующем подачу жидкого гелия на сверхпроводящие магниты. 20 ноября 2009 года Большой адронный коллайдер был вновь успешно запущен после ремонта, который длился 14 месяцев.
В декабре 2009 года работа была вновь остановлена на “рождественские каникулы”. Незадолго до остановки на коллайдере были проведены столкновения на рекордных энергиях: 9 декабря пучки протонов столкнулись на энергии 1,18 тераэлектронвольта, а к 14 декабря ученые зафиксировали 50 тысяч столкновений на рекордной энергии 2,36 тераэлектронвольта.

В настоящее время ученые готовят БАК к возобновлению работы, которая планируется в середине февраля. Исследователи намерены превысить прошлогодние показатели, добившись энергии в 3,5 ТэВ.

Дальнейшие планы ЦЕРН относительно самого большого ускорителя заряженных частиц обсуждались на очередной конференции Chamonix-2010, на которой были зачитаны доклады, посвященные итогам работы коллайдера в 2009 году, текущей деятельности по запуску коллайдера на энергию протонов 3,5 ТэВ, а также перспективам на будущее.
По результатам директорату Европейского центра ядерных исследований будут представлены рекомендации относительно работы коллайдера в среднесрочной перспективе. Затем руководство ЦЕРН утвердит расписание работы LHC и примет решение, до какой энергии разгонять протоны в ближайшие годы.

Значение энергии, на которой будет работать коллайдер, является одним из ключевых параметров, напоминают “Элементы”. Считается, что увеличение мощности в 1,5 – 2 раза резко повышает научную эффективность исследований – чем выше энергия сталкивающихся протонов, тем чаще будут появляться умеренно тяжелые частицы (например, бозон Хиггза), и и тем более тяжелые частицы смогут родиться.

Проектная энергия протонов в Большом адронном коллайдере достигает 7 ТэВ. В настоящее время главным препятствием для его вывода на проектную энергию остается плохое качество электрических контактов в сверхпроводящих магнитах. Повышение энергии протонов требует усиления магнитного поля, удерживающего их в кольце ускорителя, и увеличения силы тока в обмотках магнитов. Жесткие требования на качество электрических соединений накладывает необходимость удерживать сильный ток в обмотках поворотных магнитов без потери сверхпроводимости.

Именно дефектный контакт в одном из магнитов стал причиной аварии 19 сентября 2008 года. В ходе последующего ремонта были заменены некоторые магниты, однако однако полностью проблему это не решило. Сейчас главным “узким местом” является плохое качество не самих контактов между сверхпроводящими кабелями, а медных шин, к которым в месте контакта припаяны сверхпроводящие кабели.
При нормальной работе весь ток течет через сверхпроводник практически без сопротивления. Однако в случае срыва сверхпроводимости, который неизбежно будет время от времени происходить в магнитах, именно эти шины берут на себя весь ток. От сопротивления этого “мостика” из шины и припоя зависит то, сможет ли система безопасно справиться с возникшей ситуацией.

У специалистов пока нет точных данных по сопротивлениям этих шин, т.к. измерения необходимо делать при высокой температуре, а прогревать все сектора ускорителя до комнатной температуры не стали, т.к. в 2009 году это отложило бы запуск LHC еще на несколько месяцев.
Измерения в некоторых секторах пришлось проводить при умеренно низких температурах, а затем экстраполировать эти данные на высокие температуры с некоторым запасом надежности. Эти результаты привели специалистов к выводу: поднимать энергию выше 3,5 ТэВ пока рискованно.

В настоящее время наиболее вероятным считается работа до конца 2011 года на энергии 3,5 ТэВ с постепенным увеличением интенсивности протонных пучков. Одновременно технические группы будут отрабатывать все технологии, необходимые для полноценного ремонта соединений, что позволит затем остановить коллайдер на длительный ремонт и запустить его на проектную энергию 7 ТэВ.

Тем временем, многие серьезные исследователи не исключают возможность того, что работе коллайдера пытаются помешать из будущего или другого измерения, чтобы не допустить возникновения черной дыры или появления портала в параллельную вселенную.

Большой адронный коллайдер | ЦЕРН

Большой адронный коллайдер (БАК) – крупнейший и самый мощный ускоритель элементарных частиц в мире. Он был впервые запущен 10 сентября 2008 года и остается последним дополнением к ускорительному комплексу ЦЕРНа. LHC состоит из 27-километрового кольца сверхпроводящих магнитов с рядом ускоряющих структур для увеличения энергии частиц по пути.

(Изображение: Анна Пантелия / ЦЕРН)

Внутри ускорителя два пучка частиц высокой энергии движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем они столкнутся.Лучи движутся в противоположных направлениях в отдельных лучевых трубках – двух трубках, в которых поддерживается сверхвысокий вакуум. Они направляются вокруг кольца ускорителя сильным магнитным полем, поддерживаемым сверхпроводящими электромагнитами. Электромагниты состоят из катушек специального электрического кабеля, который работает в сверхпроводящем состоянии, эффективно проводя электричество без сопротивления или потери энергии. Для этого необходимо охладить магниты до -271,3 ° C – температуры ниже, чем в космосе. По этой причине большая часть ускорителя подключена к системе распределения жидкого гелия, который охлаждает магниты, а также к другим службам снабжения.

Замена одного из дипольных магнитов LHC (Изображение: Максимилиан Брайс / ЦЕРН)

Тысячи магнитов различных типов и размеров используются для направления лучей вокруг ускорителя. В их число входят 1232 дипольных магнита длиной 15 метров, которые изгибают лучи, и 392 квадрупольных магнита, каждый длиной 5-7 метров, которые фокусируют лучи. Непосредственно перед столкновением используется другой тип магнита, чтобы «сжать» частицы ближе друг к другу, чтобы увеличить вероятность столкновения. Частицы настолько крошечные, что их столкновение сравнимо с запуском двух игл на расстоянии 10 километров друг от друга с такой точностью, что они встречаются на полпути.

Все элементы управления ускорителем, его услугами и технической инфраструктурой размещены под одной крышей в Центре управления ЦЕРН. Отсюда лучи внутри LHC сталкиваются в четырех точках вокруг кольца ускорителя, соответствующих положениям четырех детекторов частиц – ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Изучите Центр управления ЦЕРН с помощью Google Street View (Изображение: Google Street View)

фотографий: Самый большой в мире атомный уничтожитель (LHC)

LHC Студенты в CERN

(Изображение предоставлено CERN)

Студенты, работающие над LHC, сидят возле Женевской Физической лаборатории CERN, где находится коллайдер частиц.

LHC Tunnel

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

На этой фотографии показан туннель Большого адронного коллайдера, где пучки частиц проходят через центральные трубы, прежде чем столкнуться друг с другом.

Детектор LHC

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

Подобные детекторы размещаются в местах столкновения частиц внутри кольца LHC. Они включают в себя чувствительное оборудование для обнаружения экзотических частиц и продуктов их распада, которые образуются в результате столкновений.

LHC Control Room

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

Физики наблюдают за данными о столкновении частиц внутри диспетчерской LHC.

LHC Particle Tracks

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

Когда частицы сталкиваются внутри ускорителя, они взрываются, превращаясь в энергию, которая дает начало новым частицам. Они часто недолговечны и распадаются на другие частицы. Продукты столкновений частиц показаны в виде треков на диаграммах, подобных этой.

LHC’s ATLAS

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

Эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере – один из двух больших универсальных детекторов машины.

Цилиндр трекера ATLAS

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

Здесь технический специалист работает над корпусом полупроводникового трекера эксперимента ATLAS.

Пещера ATLAS

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

Рабочие перемещают прибор, называемый калориметром, внутри пещеры ATLAS.

Фреска ATLAS

(Изображение предоставлено ЦЕРН)

Здание, в котором находится эксперимент ATLAS и его офисы, расписано фреской, на которой изображены две стены детектора с наложенным событием столкновения.

ATLAS в LEGOS

(Изображение предоставлено ATLAS / CERN)

Модель детектора ATLAS, сделанная из блоков LEGO Сашей Мельхасе.

CMS Experiment

(Изображение предоставлено Майклом Хохом / AdventueArt / CERN)

Эксперимент с компактным мюонным соленоидом (CMS) является вторым крупным универсальным детектором LHC. Среди других проектов он занимается поиском неуловимой теоретической частицы, называемой бозоном Хиггса.

Большой адронный коллайдер в картинках: использование больших технологий для исследования мельчайших деталей

“Вы слишком сильно подталкиваете Хиггса.”

Таков был замечание Питера Хиггса в адрес отдела коммуникаций ЦЕРН в последнее время. Британский физик-теоретик, который внес свою работу и свое имя в предсказание элементарной частицы, называемой бозоном Хиггса, недоволен тем, что Большой адронный коллайдер так тесно связан с ее поисками. Установив теперь существование этой частицы с высокой степенью уверенности – вероятность того, что наблюдения ЦЕРНа не являются результатом бозона Хиггса, составляет лишь один из 10 миллионов, – LHC рискует быть воспринятым как дорогостоящий пони с одной уловкой, который уже выполнил свою задачу.

Допустить распространение этого заблуждения означало бы оказать огромную медвежью услугу широте и разнообразию исследований, проводимых в лабораториях на франко-швейцарской границе и вокруг них. Среди своих многочисленных достижений Европейская организация ядерных исследований может считать развитие всемирной паутины, которую Тим Бернерс-Ли и группа студентов построили вместе в коридоре из-за нехватки свободного места для их проекта.

Как объясняет Джеймс Гиллис, глава коммуникационной группы ЦЕРН, «мы проводим базовые, основанные на любопытстве исследования» основ науки и Вселенной.27-километровый Большой адронный коллайдер – подземный контур из герметизированных стальных труб, окруженный сетью из восьми сверхпроводящих магнитных массивов, четырех гигантских детекторных станций и множества устройств для охлаждения и сбора данных – ласково называют « самая быстрая гоночная трасса на планете ». В подтверждение этого утверждения Гиллис отмечает, что магниты с криогенным охлаждением могут ускорять пучки протонов водорода до смехотворной скорости 11000 кругов, в секунду, (или 99,999% от скорости света).Столкновение двух из этих лучей, движущихся в противоположных направлениях, генерирует огромное выделение энергии, которое, в свою очередь, измеряется исследователями ЦЕРНа, когда они исследуют границы наших знаний о Вселенной. Бозон Хиггса, как подчеркивает профессор Хиггс, – лишь небольшая часть этих поисков понимания.

С февраля этого года LHC бездействует, подвергаясь обновлениям и настройкам в рамках подготовки к возобновлению работы весной 2015 года для (надеюсь, непрерывного) трехлетнего периода сбора дополнительных данных.Исследователям остается еще много неизвестного, например, предположение о существовании темной энергии и темной материи, поэтому будущее Коллайдера выглядит не менее насыщенным и продуктивным, чем его прошлое. Чтобы распространить это сообщение и дать общественности лучшее представление о том, что делает LHC, ЦЕРН использует нынешний период простоя, чтобы познакомить журналистов с пещерными детекторными станциями ускорителя частиц и подземной трубопроводной сетью. Это захватывающий взгляд на то, как крупное промышленное оборудование помогает отвечать на вопросы о бесконечно малых вещах.

Вид сетки

  • Административные и операционные объекты ЦЕРН расположены рядом с горным хребтом Юра на франко-швейцарской границе. Большинство сотрудников CERN пересекают эту границу несколько раз в день, что подчеркивает интернационализм исследовательских лабораторий.Добраться до него так же просто, как сесть на трамвай № 18 из Женевы, который останавливается прямо перед стойкой регистрации.
  • Когда вы выйдете из трамвая, первое, что вас встретит, – это огромный купол, получивший название «Глобус науки и инноваций». Здесь проходят различные выставки, призванные информировать посетителей об исследованиях, проводимых в ЦЕРНе.Хотя его коричневатый вид может указывать на то, что он приобрел блеск ржавчины, внешний вид Globe на самом деле сделан из дерева.
  • Войдя в здание 33, в котором находится приемная и центр для посетителей ЦЕРН, вы обнаружите, что шагаете по калейдоскопической напольной инсталляции «Космическая песня». Созданный французским скульптором Сержем Моро в 1986 году, он меняет свой цвет и интенсивность в ответ на частицы космических лучей, падающие на Землю.
  • Кладбище детекторов с приятным названием – это открытая площадка среди офисных зданий ЦЕРН, где остатки бывших детекторов частиц были переработаны в предметы искусства ретро-модерна.
  • ЦЕРН был основан в 1954 году, что дало ему достаточно времени для сбора таких классических произведений дизайна середины 20 века.
  • «В офисах этого коридора были разработаны все фундаментальные технологии всемирной паутины». Глава ЦЕРН по связям с общественностью Джеймс Гиллис также добавляет, что из-за нехватки места некоторые работы приходилось выполнять буквально в самом коридоре.
  • Достигнув компактного мюонного соленоида (CMS), одного из двух детекторов частиц общего назначения (из четырех), вы столкнетесь с широким спектром тяжелого подъемного оборудования, которое теперь простаивает.Нет никаких планов когда-либо вывести CMS из ее нынешнего положения – любые исправления или замены нужно будет делать на месте.
  • Охлаждающая жидкость, сжатый воздух и различные другие необходимые компоненты закачиваются в CMS через этот запутанный массив труб.
  • Знаменитая диспетчерская CMS, в настоящее время обезлюдевшая из-за бездействия коллайдера, не слишком отличается от офиса биржевого трейдера – это, по сути, обширное средство информации и мониторинга.Пустые бутылки из-под шампанского в дальнем углу служат напоминанием о прошлых знаменательных событиях и, предположительно, поощрением к новым.
  • Скелетные сотрудники, которые все же остаются в диспетчерской, следят за электрическими, охлаждающими и газовыми системами под землей. Электросеть Швейцарии не может производить достаточно электроэнергии, чтобы удовлетворить все потребности ЦЕРНа, поэтому объект переключается между французскими и швейцарскими источниками энергии, а также имеет собственное дизельное топливо, чтобы поддерживать его автономность в чрезвычайных ситуациях.
  • Хотя большая часть оборудования представляет собой стандартное вычислительное оборудование, по всему объекту разбросано несколько изготовленных на заказ детекторов и выключателей.
  • «У вас может быть любой цвет, если он оранжевый», – шутит Грег Ландсберг из Университета Брауна.Он отмечает, что официальные цвета ЦЕРН – оранжевый и синий, и действительно есть синие каски, которые ждут всех посетителей станции ALICE.
  • Вы никогда не будете дальше, чем в нескольких шагах от чего-то, что может поразить вас электрическим током, облучить, отравить или просто испарить. И каждое оборудование, смертоносное или иное, присутствует в огромных количествах.
  • Когда Большой адронный коллайдер запущен и работает, задача вычислительной группы ЦЕРН «отобрать и записать обломки от до 600 миллионов столкновений протонов в секунду», – объясняет Джеймс Гиллис. Вот почему у каждой станции обнаружения есть своя собственная серверная ферма, изобилующая кабелями, разъемами, переключателями и регуляторами.
  • Последний тизер перед входом в саму CMS: уменьшенная модель многоэтажного детектора с разбивкой его различных функций и механизмов.
  • Инструкции по безопасности или руководство из пяти шагов, чтобы стать супергероем в маске? Вам решать.
  • Безопасность никогда не кажется обременительной, но существуют сканеры глаз и другие меры, чтобы гарантировать, что только уполномоченный персонал может получить доступ к пещерам детекторов и туннелю LHC.
  • И вот она, CMS во всей своей хрупкой, обнаженной красе.Трубы, по которым проходят пучки протонов, в настоящее время отсоединены и имеют диаметр всего около метра – все, что вы здесь видите, предназначено для улавливания и понимания выпадений при столкновениях пучков с высокой энергией.
  • Компактный мюонный соленоид, расположенный на глубине 100 м / 330 футов под землей, весит 12500 тонн и вырастает до 15 м / 50 футов в диаметре и 25 м / 82 футов в высоту.
  • Огромный масштаб установки CMS может заставить вас почувствовать себя незначительным.
  • Туннели между детекторными станциями несколько менее интересны, хотя поддержание их в рабочем состоянии не менее важно.Хотя LHC остается самым дорогим в мире проектом такого рода, LHC сэкономил немного денег, повторно используя туннельное кольцо, которое уже было выкопано для ныне несуществующего Большого электронно-позитронного коллайдера.
  • Для большей части схемы LHC лучи движутся в противоположных направлениях внутри двух соседних, но отдельных труб. Только когда они приближаются к детекторным станциям, их собирают вместе, и их пути постепенно сводятся к столкновению.Неиспользованные протоны просто разбиваются о бетонную стену.
  • Передвижение внутри туннелей происходит так же, как и снаружи. Только автомобили, которые здесь используются, в чем-то более очаровательны.
  • Несмотря на то, что туннель LHC является линейным на обширных участках его 27-километровой окружности, на самом деле его высота колеблется над уровнем моря.Разница в его глубине определяется составом окружающей почвы.
  • Радиоактивные канистры, липкая лента и обилие фольги – вот лишь некоторые из необъяснимых и тревожных аспектов этого тура.
  • Чем бы вы ни занимались в жизни, не забудьте оставить свой след.
  • В детекторе ALICE (эксперимент с большим ионным коллайдером) используются менее мощные магниты, работающие при комнатной температуре, которые можно надлежащим образом охладить, используя только водяное охлаждение. Тем не менее, его огромные масштабы, как правило, приводят к красивому расположению трубок и манометров.
  • Жизненная статистика ALICE: длина 26 м / 85 футов, высота и ширина 16 м / 52 фута и сравнительно небольшой вес в 10 000 тонн.
  • Невозможно смотреть на усыпанные кабелями детекторы Большого адронного коллайдера, не вспоминая какой-нибудь научно-фантастический фильм.
  • Огромные красные двери по обе стороны от ALICE закрываются, когда LHC включен и работает.Их размер имеет практическую причину: инженерам необходим доступ ко всей системе детектора при ремонте или модернизации.
  • Если вы сможете оторвать взгляд от Алисы и на мгновение взглянуть вверх, вы обнаружите знакомые трубы подачи, спускающиеся с уровня земли.
  • Проводимые сегодня работы по модернизации должны занять ALICE и три других детектора в течение полных трех лет, как только они вернутся в строй в 2015 году.

Внутри Большого адронного коллайдера (фотографии)

1 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Сердце LHC: дипольный магнит

В основе LHC – 1232 дипольных магнита, это поперечное сечение. Дипольный магнит создает почти линейное магнитное поле, которое направляет пучок ионизированных частиц вокруг ускорителя. Два луча проходят отдельно в противоположных направлениях через левый и правый центральные каналы.

2 из 20 Maximilien Brice / CERN

Торцевая крышка CMS опущена на место

Эксперимент CMS – один из двух, направленных на решение множества задач, включая поиск неуловимого бозона Хиггса. Поскольку LHC находится под землей, такое оборудование, как эта массивная заглушка для эксперимента CMS, необходимо опускать с помощью кранов. Этот колпачок находился на одном конце цилиндрического детектора.

3 из 20 Maximilien Brice / CERN

Кремниевый детектор CMS

Один конец детектора CMS во время сборки LHC в 2007 году.

4 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Центр управления LHC

Главный центр управления LHC используется для контроля и управления ускорителем частиц. Этому блоку экранов соответствуют четыре других для других задач. Для экспериментов используются отдельные центры управления. Зеленые экраны слева сигнализируют о том, что с сотнями подсистем все в порядке.

5 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Вычислительный центр LHC

LHC требует огромных вычислительных мощностей для хранения данных.Первичная копия данных хранится в ЦЕРНе, но она реплицируется в другом месте по всей планете.

6 из 20 Клаудиа Марчеллони / ЦЕРН

Детектор ATLAS на LHC

Вид изнутри детектора ATLAS. Физики надеются использовать детектор, чтобы найти и детализировать бозон Хиггса, частицу, которая, как считается, наделяет более обычную материю массой.

7 из 20 Maximilien Brice / CERN

Балочная труба ATLAS

ATLAS – один из двух универсальных экспериментов на LHC.Здесь желтый кран удерживает трубку пучка частиц, которая вставляется в детектор.

8 из 20 Мона Швейцер / ЦЕРН

Закрытие дверей ALICE

ALICE, один из четырех основных экспериментов LHC, предназначен для исследования высокоэнергетического прошлого сразу после Большого взрыва, когда кварки не были заключены в протоны и нейтроны, как сегодня.

9 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Центр управления CMS

Альберт де Рок, один из менеджеров CMS, вызывает последние экспериментальные данные компактного мюонного соленоида.

10 из 20 Michael Hoch / CERN

Вставка кремниевого трекинг-детектора CMS

Эксперименты LHS собираются под землей. Здесь кремниевый следящий детектор – двоюродный брат датчика обычной цифровой камеры – вставлен в один из двух универсальных экспериментов LHC, CMS.

11 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Первый сервер Всемирной паутины

В ЦЕРН Тим Бернерс-Ли создал Всемирную паутину.Это рукописная заметка на стороне первого веб-сервера, предупреждающая персонал, чтобы он не выключал его.

12 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

В центре управления LHC

Мирко Пойер, физик и инженер, отвечающий за работу LHC, объясняет свойства двух встречных протонных пучков LHC.

13 из 20 Maximilien Brice / CERN

Поврежденный LHC

Во время инцидента на LHC в сентябре 2008 года сопротивление электрическому току нагревало эту область до тех пор, пока жидкий гелий не превратился в газ, повредив LHC и вызвав задержку в работе и измененную конструкцию.

14 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Соединение магнита LHC

На этом снимке показаны обнаженные внутренности соединения между двумя секциями сверхпроводящего магнита на LHC. В сентябре 2008 года произошел сбой электрического автобуса в направлении правого верхнего угла, в результате чего произошел перегрев и произошел серьезный производственный инцидент.

15 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Празднование ЦЕРН

В ЦЕРНе принято отмечать вехи.Вот несколько оставшихся бутылок.

16 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Настенная роспись ATLAS

Внешний вид центра управления Atlas в ЦЕРН украшен произведениями искусства, соответствующими физике.

17 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Globe of Science and Innovation

«Глобус науки и инноваций» не выполняет научных функций, но его центр является отличительной достопримечательностью ЦЕРНа.

18 из 20 Стивен Шенкленд / CNET

Магнит в сборе

Этот магнитный узел, находящийся над землей и не используемый, показывает, как LHC вписывается в его подземную пещеру.

19 из 20 ЦЕРН

Разрастание БАК

Длина окружности БАК, который входит в подземный туннель, использовавшийся ранее в ускорителе ЦЕРНа, составляет 27 километров. Что касается масштаба, то на этом снимке аэропорт Женевы находится в дальнем конце круга, а Альпы – на расстоянии.

20 из 20 Claudia Marcelloni / CERN

Последнее подключение LHC – временно

На фотографии 2007 года показан рабочий, выполняющий последние соединения в кольце LHC. Некоторые работы будут переделаны после планового останова перед запуском ускорителя на полную мощность.

10 лет открытиям Большого адронного коллайдера

Активность во время столкновения высоких энергий в диспетчерской CMS Европейской организации ядерных исследований, ЦЕРН, в их штаб-квартире за пределами Женевы, Швейцария.Изображение взято с AP Photo.

Тодд Адамс, Университет штата Флорида

Десять лет! Десять лет с момента начала эксплуатации Большого адронного коллайдера (БАК), одной из самых сложных машин, когда-либо созданных. LHC – это крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц, расположенный на глубине 328 футов (100 метров) под землей Франции и Швейцарии с окружностью 17 миль (27 км).

10 сентября 2008 года протоны, центр атома водорода, впервые прошли циркуляцию вокруг ускорителя LHC.Однако волнение было недолгим, потому что 22 сентября произошел инцидент, повредивший более 50 из более чем 6000 магнитов БАК, которые имеют решающее значение для удержания протонов, движущихся по круговой траектории. Ремонт занял больше года, но в марте 2010 года на LHC начались столкновения протонов. LHC – это жемчужина ЦЕРНа, европейской лаборатории физики элементарных частиц, которая была основана после Второй мировой войны как способ воссоединить и восстановить науку в охваченной войной Европе. Сейчас там проводят эксперименты ученые шести континентов и 100 стран.

Вам может быть интересно, что делает LHC и почему это так важно. Отличные вопросы. LHC сталкивает два пучка протонов вместе при самых высоких энергиях, когда-либо достигнутых в лаборатории. В шести экспериментах, расположенных вокруг 17-мильного (27 км) кольца, изучаются результаты этих столкновений с массивными детекторами, встроенными в подземные пещеры. Вот что, но почему? Цель состоит в том, чтобы понять природу самых основных строительных блоков Вселенной и то, как они взаимодействуют друг с другом. Это фундаментальная наука в самой своей основе.

Вид на БАК в туннеле в ЦЕРНе (Европейская лаборатория физики элементарных частиц) недалеко от Женевы, Швейцария. LHC – это подземное кольцо длиной 17 миль (27 км) из сверхпроводящих магнитов, размещенное в этой трубчатой ​​конструкции или криостате. Криостат охлаждается жидким гелием, чтобы поддерживать его рабочую температуру чуть выше абсолютного нуля. Он разгонит два встречно вращающихся пучка протонов до энергии 7 тераэлектронвольт (ТэВ), а затем заставит их столкнуться в лоб. Несколько детекторов строятся вокруг LHC для обнаружения различных частиц, образующихся в результате столкновения.Изображение предоставлено Мартиалом Трезини / KEYSTONE / AP Photo.

БАК не разочаровал. Одно из открытий, сделанных с помощью LHC, включает в себя долгожданный бозон Хиггса, предсказанный в 1964 году учеными, работающими над объединением теорий двух фундаментальных сил природы.

Я работаю над одним из шести экспериментов на LHC – экспериментом с компактным мюонным соленоидом, предназначенным для обнаружения бозона Хиггса и поиска признаков ранее неизвестных частиц или сил. Мое учреждение, Университет штата Флорида, присоединилось к коллаборации с компактным мюонным соленоидом в 1994 году, когда я был молодым аспирантом другой школы и работал над другим экспериментом в другой лаборатории.Планирование LHC началось в 1984 году. LHC было сложно построить и дорого – 10 миллиардов евро – и потребовалось 24 года, чтобы воплотить его в жизнь. Сейчас мы празднуем 10 лет с момента начала работы LHC.

Детектор компактного мюонного соленоида на ускорителе частиц LHC в ЦЕРНе. Ядро компактного мюонного соленоида – это самый большой в мире сверхпроводящий соленоидный магнит. Изображение предоставлено Мартиалом Трезини / KEYSTONE / AP Photo.

Открытия с LHC

Самым значительным открытием, сделанным на LHC, является открытие бозона Хиггса 4 июля 2012 года.Объявление было сделано в ЦЕРНе и привлекло внимание мировой аудитории. Фактически, мы с женой смотрели его через интернет-трансляцию на большом экране телевизора в нашей гостиной. Поскольку объявление было объявлено в 3 часа ночи по флоридскому времени, мы пошли на блины в IHOP, чтобы потом отпраздновать это событие.

Бозон Хиггса был последней оставшейся частью того, что мы называем стандартной моделью физики элементарных частиц. Эта теория охватывает все известные фундаментальные частицы – 17 из них – и три из четырех сил, посредством которых они взаимодействуют, хотя гравитация еще не включена.Стандартная модель – это невероятно хорошо проверенная теория. Двое из шести ученых, разработавших часть стандартной модели, которая предсказывает бозон Хиггса, получили Нобелевскую премию в 2013 году.

Бозон Хиггса, иногда называемый «частицей Бога», был впервые обнаружен во время экспериментов на Большом адронном коллайдере. Изображение взято с сайта Designua / Shutterstock.com.

Меня часто спрашивают, почему мы продолжаем проводить эксперименты, сталкивая протоны, если мы уже открыли бозон Хиггса? Разве мы не закончили? Что ж, еще многое предстоит понять.Есть ряд вопросов, на которые стандартная модель не отвечает. Например, исследования галактик и других крупномасштабных структур во Вселенной показывают, что материи намного больше, чем мы наблюдаем. Мы называем это темной материей, потому что не видим ее. На сегодняшний день наиболее распространенное объяснение состоит в том, что темная материя состоит из неизвестной частицы. Физики надеются, что БАК сможет создать эту загадочную частицу и изучить ее. Это было бы потрясающим открытием.

Буквально на прошлой неделе коллаборации ATLAS и Compact Muon Solenoid объявили о первом наблюдении распада бозона Хиггса на нижние кварки.Бозон Хиггса распадается по-разному – некоторые редко, некоторые часто. Стандартная модель делает прогнозы о том, как часто происходит каждый тип распада. Чтобы полностью протестировать модель, нам нужно наблюдать все предсказанные распады. Наше недавнее наблюдение согласуется со стандартной моделью – еще один успех.

Еще вопросы, впереди еще ответы

Во Вселенной есть много других загадок, и нам могут потребоваться новые теории физики для объяснения таких явлений – например, асимметрия материи / антиматерии, чтобы объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, или проблему иерархии, чтобы понять почему гравитация намного слабее других сил.

Схема стандартной модели физики элементарных частиц. В настоящее время обнаружено 13 фундаментальных частиц, из которых состоит материя, и четыре основных носителя силы. Изображение взято с сайта Designua / Shutterstock.com.

Но для меня поиск новых необъяснимых данных важен, потому что каждый раз, когда физики думают, что мы все это выяснили, природа преподносит сюрприз, который ведет к более глубокому пониманию нашего мира.

LHC продолжает тестирование стандартной модели физики элементарных частиц.Ученые любят, когда теория соответствует данным. Но обычно мы узнаем больше, когда они этого не делают. Это означает, что мы не до конца понимаем, что происходит. И это для многих из нас является будущей целью LHC: найти доказательства того, чего мы не понимаем. Существуют тысячи теорий, предсказывающих новую физику, которую мы не наблюдали. Какие правильные? Нам нужно открытие, чтобы узнать, верны ли они.

ЦЕРН планирует продолжить работу на LHC в течение длительного времени. Мы планируем модернизацию ускорителя и детекторов, чтобы он проработал до 2035 года.Непонятно, кто выйдет на пенсию первым, я или LHC. Десять лет назад мы с нетерпением ждали первых пучков протонов. Сейчас мы заняты изучением огромного количества данных и надеемся на сюрприз, который приведет нас на новый путь. С нетерпением жду следующих 20 лет.

Тодд Адамс, профессор физики, Университет штата Флорида

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинальную статью.

Итог: Десять лет науки на Большом адронном коллайдере (LHC).

EarthSky Voices
Просмотр статей
Об авторе:

Члены сообщества EarthSky, в том числе ученые, а также писатели, пишущие о науке и природе со всего мира, решают, что для них важно. Фото Роберта Сперлока.

«Фотосъемка со вспышкой» на LHC

Некоторые из лучших имеющихся в продаже высокоскоростных камер могут снимать тысячи кадров каждую секунду.Они снимают потрясающие видеоролики, на которых лопаются водные шары и летают колибри в сверхмедленной съемке.

Но что, если вы хотите сделать снимок процесса так быстро, что он будет выглядеть размытым, если затвор открыт даже на миллиардную долю секунды? Это тип проблемы, с которой сталкиваются ученые в таких экспериментах, как CMS и ATLAS, когда они изучают столкновения частиц на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа.

Когда LHC работает на полную мощность, сгустки из примерно 100 миллиардов протонов пересекают пути друг друга каждые 25 наносекунд.Во время каждого пересечения, которое длится около 2 наносекунд, около 50 протонов сталкиваются и производят новые частицы. Выяснить, какая частица возникла при каком столкновении, может быть непростой задачей.

«Обычно в ATLAS и CMS мы измеряем заряд, энергию и импульс частицы, а также пытаемся сделать вывод, где она была произведена», – говорит Карри ДиПетрилло, научный сотрудник, работающий над экспериментом CMS в Фермилаборатории Министерства энергетики США. . «У нас и раньше были временные измерения – порядка наносекунд, которых достаточно, чтобы назначить частицы для правильного пересечения сгустка, но недостаточно, чтобы разрешить отдельные столкновения внутри одного сгустка.”

Благодаря новому типу детектора, который ДиПетрилло и ее сотрудники создают для эксперимента CMS, ситуация скоро изменится.

Физики, участвующие в эксперименте CMS, разрабатывают новый детектор, способный создавать более точные метки времени прохождения частиц. Детектор разделит 2-наносекундные всплески частиц на несколько последовательных снимков – что-то вроде съемки 30 миллиардов снимков в секунду.

Это поможет физикам справиться с нарастающей проблемой на LHC: наложением столкновений.

Определить, какие треки частиц произошли от каких столкновений, является сложной задачей. Запланированное повышение интенсивности LHC увеличит количество столкновений на пересечение сгустка в четыре раза, то есть с 50 до 200 столкновений протонов, что сделает эту задачу еще более сложной.

В настоящее время физики смотрят на места столкновения вдоль канала луча, чтобы определить, какие именно следы произошли от какого столкновения. Новый детектор времени добавит к этому еще одно измерение.

«Эти временные метки позволят нам определить, когда во времени произошли различные столкновения, эффективно разделяя отдельные пересечения сгустков на несколько« кадров », – говорит ДиПетрилло.

ДиПетрилло и его коллеги из США, работающие над проектом, получают поддержку Министерства энергетики Министерства энергетики США, которое также оказывает поддержку разработке детекторов.

По словам ДиПетрилло, возможность разделить столкновения в зависимости от того, когда они происходят, окажет огромное влияние на все аспекты исследования.«Распутывание различных столкновений настолько проясняет наше понимание события, что мы эффективно собираем данные за три года на LHC высокой яркости. Это увеличение статистики даст нам более точные измерения и больше шансов найти новые частицы, которых мы никогда раньше не видели », – говорит она.

Отметки точного времени также помогут физикам искать тяжелые, медленно движущиеся частицы, которые они могли пропустить в прошлом.

«Большинство частиц, производимых на LHC, движутся со скоростью, близкой к скорости света», – говорит ДиПетрилло.«Но очень тяжелая частица будет двигаться медленнее. Если мы увидим, что частица прибывает намного позже, чем ожидалось, наш детектор времени может отметить это за нас ».

Новый детектор времени внутри CMS будет состоять из 5-метрового цилиндрического бочонка, сделанного из 160 000 отдельных сцинтилляционных кристаллов, каждый из которых приблизительно равен ширине и длине спички. Эта хрустальная бочка будет закрыта на ее открытых концах дисками, содержащими тонкий слой радиационно-стойких кремниевых сенсоров. Ствол диаметром около 2 метров будет окружать внутренние детекторы, составляющие систему слежения CMS, ближайшую к точке столкновения.ДиПетрилло и ее коллеги в настоящее время работают над тем, как различные датчики и электроника на каждом конце ствола будут координировать свою работу, чтобы дать отметку времени в пределах от 30 до 50 пикосекунд.

«Обычно, когда частица проходит через детектор, выделяемая ею энергия преобразуется в электрический импульс, который резко нарастает и медленно спадает в течение нескольких наносекунд», – говорит Джоэл Батлер, ученый из Fermilab, координирующий этот проект. «Чтобы зарегистрировать одну из этих проходящих частиц менее чем за 50 пикосекунд, нам нужен сигнал, который достигнет своих пиков еще быстрее.”

Ученые могут использовать крутые подъемы этих сигналов, чтобы разделить столкновения не только в пространстве, но и во времени. В корпусе детектора частица, проходящая через кристаллы, испускает вспышку света, которая регистрируется специализированной электроникой. Основываясь на том, когда интенсивная вспышка света достигает каждого датчика, физики смогут вычислить точное местоположение частицы и время ее прохождения. Частицы также будут производить быстрый импульс в заглушках, которые сделаны из нового типа кремниевого датчика, усиливающего сигнал.Каждый кремниевый датчик размером с домино может определять местоположение проходящей частицы с точностью до 1,3 миллиметра.

Физики, работающие над детектором времени, планируют подготовить все компоненты и установить их внутри CMS для запуска LHC высокой яркости в 2027 году

«Высокоточная синхронизация – это новая концепция в физике высоких энергий», – говорит ДиПетрилло. «Я думаю, что это будет направление, в котором мы будем работать с детекторами и коллайдерами будущего из-за их огромного физического потенциала.Для меня это невероятно захватывающий и новый проект, над которым стоит работать прямо сейчас ».

Большой адронный коллайдер ЦЕРН создает материю из света

Детектор ATLAS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН. (Кредит: ЦЕРН)

Примечание: эта статья изначально была опубликована журналом Symmetry. Прочитать оригинальную статью.

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

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

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

От безмассовых до массивных

Команда Беркли играет ключевую роль в анализе взаимодействий частиц, которые производят материю из света

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) сыграли ключевую роль в анализе данных крупнейшего в мире коллайдера частиц, которые нашли доказательства редких взаимодействий частиц высокой энергии, в которых материя была произведена из света.

Симоне Пэган Гризо, физик из лаборатории Беркли и научный сотрудник, который координировал усилия команды лаборатории Беркли, сказал, что его команда обнаружила около 174 взаимодействий частиц, которые согласуются с созданием пар тяжелых несущих силу частиц, называемых W-бозонами, в результате столкновения двух фотонов.

Подробнее…

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

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

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

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

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

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

Объединение сил

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

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

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

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

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

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

– Автор Сара Чарли

Подробнее

###

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и ее ученые были основаны в 1931 году с убеждением в том, что самые большие научные проблемы лучше всего решаются с помощью команд.Сегодня исследователи Berkeley Lab разрабатывают решения в области устойчивой энергетики и защиты окружающей среды, создают новые полезные материалы, расширяют границы компьютерных технологий и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на возможности лаборатории в своих научных открытиях. Berkeley Lab – это многопрограммная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом при Управлении науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени.Для получения дополнительной информации посетите сайт energy.gov/science.

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *