Коллайдер зачем нужен: Зачем нужен Большой адронный коллайдер?.

Содержание

Адронный коллайдер как работает. Что такое коллайдер и зачем он нужен? Какие открытия совершили на БАК

Где находится большой адронный коллайдер?

В 2008 году CERN (Европейский совет ядерных исследований) завершил строительство сверхмощного ускорителя частиц, названного Большой адронный коллайдер. По-английски: LHC – Large Hadron Collider. CERN – международная межправительственная научная организация, образованная в 1955 году. По сути, это главная лаборатория мира в областях высоких энергий, физики частиц и солнечной энергетики . Членами организации являются порядка 20 стран.

Зачем нужен большой адронный коллайдер?

В окрестностях Женевы в 27-километровом (26 659 м) круговом бетонном тоннеле создано кольцо сверхпроводящих магнитов для разгона протонов. Предполагается, что ускоритель поможет не только проникнуть в тайны микроструктуры материи, но и позволит продвинуться в поисках ответа на вопрос о новых источниках энергии в глубине материи.

С этой целью одновременно со строительством самого ускорителя (стоимостью свыше 2 млрд долларов) созданы четыре детектора частиц. Из них два больших универсальных (CMS и ATLAS) и два – более специализированных. Общая стоимость детекторов приближается также к 2 млрд долларов. В каждом из больших проектов CMS и ATLAS приняли участие свыше 150 институтов из 50 стран, в том числе российских и белорусских.

Охота за неуловимым бозоном Хиггса

Как работает адронный коллайдер ускоритель? Коллайдер – это крупнейший ускоритель протонов, работающий на встречных пучках. В результате ускорения каждый из пучков будет иметь энергию в лабораторной системе 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), то есть 7×1012 электрон-вольт. При столкновении протонов образуется множество новых частиц, которые будут регистрироваться детекторами. После анализа вторичных частиц полученные данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, волнующие ученых, занимающихся физикой микромира и астрофизикой. В числе главных вопросов – экспериментальное обнаружение бозона Хиггса.

Ставший «знаменитым» бозон Хиггса – гипотетическая частица, являющаяся одним из главных компонентов так называемой стандартной, классической модели элементарных частиц. Назван по имени британского теоретика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Считается, что хиггсовские бозоны, будучи квантами поля Хиггса, имеют отношение к фундаментальным вопросам физики. В частности – к концепции происхождения масс элементарных частиц.

2-4 июля 2012 ряд экспериментов на коллайдере выявили некую частицу, которую можно соотнести с бозоном Хиггса. Причем, данные подтвердились при измерении и системой ATLAS, и системой CMS. До сих пор идут споры, действительно ли открыт пресловутый бозон Хиггса, или это другая частица. Факт в том, что обнаруженный бозон – самый тяжелый из ранее фиксировавшихся. Для решения фундаментального вопроса были приглашены ведущие физики мира: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Энглер и сам Питер Хиггс, теоретически обосновавший в далеком 1964 году существование бозона, названного в его честь. После анализа массива данных, участники исследования склонны считать, что бозон Хиггса действительно обнаружен.

Многие физики надеялись, что при исследовании бозона Хиггса выявятся «аномалии», которые заставили бы говорить о так называемой «Новой физике». Однако к концу 2014 года обработан почти весь массив данных, накопленный за три предыдущих года в результате экспериментов на БАК, и интригующих отклонений (за исключением отдельных случаев) не выявлено. На поверку оказалось, что двухфотонный распад пресловутого бозона Хиггса оказался, по словам исследователей, «слишком стандартным». Впрочем, намеченные на весну 2015 года эксперименты могут удивить научный мир новыми открытиями.

Не бозоном единым

Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.

Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц.

Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е =mc ². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.

Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.

Вклад белорусских и российских ученых и инженеров в создание БАК

На этапе строительства европейские партнеры из CERN обратились к группе белорусских ученых, имеющих серьезные наработки в этой области, принять участие в создании детекторов для LHC с самого начала проекта. В свою очередь, белорусские ученые пригласили к сотрудничеству коллег Объединенного института ядерных исследований из наукограда Дубна и других российских институтов. Специалисты единой командой приступили к работе над так называемым детектором CMS – «Компактным мюонным соленоидом». Он состоит из многих сложнейших подсистем, каждая из которых сконструирована так, чтобы выполнялись специфические задачи, при этом совместно они обеспечивают идентификацию и точное измерение энергий и углов вылета всех частиц, рождающихся в момент протонных столкновений в БАК.

Белорусско-российские специалисты также участвовали в создании детектора ATLAS. Это установка высотой 20 м, способная измерить траектории частиц с высокой точностью: до 0,01 мм. Чувствительные датчики внутри детектора содержат около 10 млрд транзисторов. Приоритетная цель эксперимента ATLAS состоит в обнаружении бозона Хиггса, изучении его свойств.

Без преувеличения, наши ученые внесли существенный вклад в создание детекторов CMS и ATLAS. Некоторые важные компоненты были изготовлены на минском Машиностроительном заводе им. Октябрьской революции (МЗОР). В частности – торцевые адронные калориметры для эксперимента CMS.

Кроме того, завод произвел весьма сложные элементы магнитной системы детектора ATLAS. Это крупногабаритные изделия, требующие владения специальными технологиями обработки металлов и сверхточной обработки. По оценке техников CERN, заказы были выполнены блестяще.

Нельзя недооценивать и «вклад личностей в историю». Например, инженер кандидат технических наук Роман Стефанович ответственен в проекте CMS за сверхточную механику. В шутку даже говорят, что без него CMS не был бы собран. Но если серьезно, то можно вполне определенно утверждать: без него сроки сборки и наладки при требуемом качестве не были бы выдержаны. Другой наш инженер-электронщик Владимир Чеховский, пройдя достаточно сложный конкурс, сегодня отлаживает электронику детектора CMS и его мюонных камер.

Наши ученые участвуют как в запуске детекторов, так и в лабораторной части, в их эксплуатации, поддержании и обновлении. Ученые из Дубны и их белорусские коллеги полноправно занимают свои места в международном физическом сообществе CERN, которое трудится ради получения новой информации о глубинных свойствах и строении материи.

Немного фактов о Большом адронном коллайдере, как и для чего он создан, какой с него прок и какие потенциальные опасности для человечества он таит.

1. Строительство БАК’а, или Большого адронного коллайдера, задумали еще в 1984 году, а начали только в 2001. Спустя 5 лет, в 2006 году, благодаря усилиям более чем 10-ти тысяч инженеров и ученых из разных государств, строительство Большого адронного коллайдера было завершено.

2. БАК — это самая большая экспериментальная установка в мире.

3. Так почему же Большой адронный коллайдер?
Большим его назвали благодаря его солидным размерам: длина основного кольца, по которому гоняют частицы, составляет порядка 27 км.
Адронным — так как установка ускоряет адроны (частицы, которые состоят из кварков).
Коллайдером — из-за ускоряющихся в противоположном направлении пучков частиц, которые сталкиваются друг с другом в специальных точках.

4. Для чего нужен Большой адронный коллайдер? БАК представляет из себя суперсовременный исследовательский центр, где ученые проводят опыты с атомами, сталкивая между собой на огромной скорости ионы и протоны. Ученые надеются с помощью исследований приоткрыть завесу над тайнами появления Вселенной.

5. Проект обошелся научному сообществу в астрономическую сумму — 6 млрд. долларов. Кстати, Россия делегировала на БАК 700 специалистов, которые работают и по сей день. Заказы для БАК принесли российским предприятиям порядка 120 млн долларов.

6. Без сомнений, главное открытие, сделанное в БАК — открытие в 2012 г. бозона Хиггса, или как его еще называют «частицы Бога». Бозон Хигса — это последнее звено в Стандартной модели. Еще одно значительное событие в Бак’е — достижение рекордного значения энергии столкновений в 2,36 тераэлектронвольта.

7. Некоторые ученые, в том числе и в России, считают, что благодаря масштабным экспериментам в ЦЕРН’е (Европейской организации по ядерным исследованиям, где, собственно, и расположен коллайдер), ученым удастся построить первую в мире машину времени. Однако большинство ученых не разделяют оптимизма коллег.

8. Главные опасения человечества по поводу самого мощного на планете ускорителя основаны на опасности, которая грозит человечеству, в результате образования микроскопических черных дыр, способных к захвату окружающей материи. Есть еще одна потенциальная и крайне опасная угроза — возникновения страпелек (произв. от Странная капелька), которые, гипотетически, способны при столкновении с ядром какого-либо атома, образовывать все новые страпельки, преобразуя материю всей Вселенной. Однако большинство самых авторитетных ученых заявляют, что такой исход маловероятен. Но теоретически возможен

9. В 2008 году на ЦЕРН подали в суд двое жителей штата Гавайи. Они обвинили ЦЕРН в попытке положить конец человечеству из-за халатности, требуя от ученых гарантий на безопасность.

10. Большой адронный коллайдер расположен в Швейцарии недалеко от Женевы. В ЦЕРНе функционирует музей, где посетителям наглядно объясняют о принципах работы коллайдера и для чего он был построен.

11 . Ну и напоследок немного забавный факт. Судя по запросам в Яндексе, многие люди, которые ищут информацию о Большом адронном коллайдере, не знают как правильно пишется название ускорителя. Например, пишут «аНдронный» (и не только пишут, чего стоят репортажи НТВ с их аНдронным коллайдером), порой пишут «андроидный» (Империя наносит ответный удар). В буржуйском нете тоже не отстают и вместо «hadron» вбивают в поисковик «hardon» (на православном английском hard-on — стояк). Интересен вариант написания на белорусском — «Вялікі гадронны паскаральнік», что переводится как «Большой гадронный ускоритель».

Адронный коллайдер. Фото

БАК (Большой адронный коллайдер, LHC) – это самый крупный в мире ускоритель частиц, расположенный на франко-швейцарской границе в Женеве и принадлежащий концерну CERN. Основной задачей строительства Большого адронного коллайдера был поиск бозона Хиггса, неуловимой частицы, последнего элемента Стандартной модели.

Задачу коллайдер выполнил: физики действительно обнаружили элементарную частицу на предсказанных энергиях. Далее БАК будет вести работу в этом диапазоне светимости и работать, как обычно функционируют спецобъекты: по желанию ученых. Вспомните, полуторамесячная миссия марсохода «Оппортьюнити» затянулась на 10 лет.

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?

Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным – из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Технические характеристики BAK

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля – от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Детекторы БАК

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

  • ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
  • CMS (Compact Muon Solenoid)
  • LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
  • TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
  • LHCf (The Large Hadron Collider forward)
  • MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf – вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS – детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE – для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM – предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf – для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Ускорение частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

Цели и задачи БАК

Главная задача Большого адронного коллайдера – выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, “прощупав” его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности – заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера – получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» – например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк – самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе – Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК – ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса – частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» – теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. : диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций – непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

История создания ускорителя, который мы знаем сегодня как большой адронный коллайдер, начинается ещё с 2007 года. Изначально хронология ускорителей началась с циклотрона. Прибор представлял собой небольшое устройство, которое легко умещалось на столе. Затем история ускорителей стала стремительно развиваться. Появился синхрофазотрон и синхротрон.

В истории, пожалуй, самым занимательным стал период с 1956 по 1957 годы. В те времена советская наука, в частности физика, не отставала от зарубежных братьев. Используя наработанный годами опыт, советский физик по имени Владимир Векслер совершил прорыв в науке. Им был создан самый мощный по тем временам синхрофазотрон. Его рабочая мощность была равна 10 гигаэлектронвольт (10 миллиардов электронвольт). После этого открытия создавались уже серьёзные образцы ускорителей: большой электронно-позитронный коллайдер, Швейцарский ускоритель, в Германии, США. Все они имели одну общую цель — изучение фундаментальных частиц кварков.

Большой адронный коллайдер был создан в первую очередь благодаря стараниям итальянского физика. Имя ему Карло Руббиа, лауреат Нобелевской премии. Во время своей деятельности Руббиа работал директором в Европейской организации по ядерным исследованиям. Решено было построить и запустить адронный коллайдер именно на месте центра исследований.

Где адронный коллайдер?

Коллайдер размещён на границе между Швейцарией и Францией. Длина его окружности составляет 27 километров, поэтому его и называют большим. Кольцо ускорителя уходит вглубь от 50 до 175 метров. В коллайдере установлено 1232 магнита. Они являются сверхпроводящими, а значит из них можно выработать максимальное поле для разгона, так как затраты энергии в таких магнитах практически отсутствуют. Общий вес каждого магнита составляет 3,5 тонны при длине 14,3 метра.

Как и любой физический объект, большой адронный коллайдер выделяет тепло. Поэтому его необходимо постоянно остужать. Для этого поддерживается температура 1,7 К с помощью 12 миллионов литров жидкого азота. Помимо этого, для охлаждения используется (700 тысяч литров), и самое важное – используется давление, которое в десять раз ниже нормального атмосферного.

Температура 1,7 К по шкале Цельсия составляет -271 градус. Такая температура почти близка к называется минимально возможный предел, который может иметь физическое тело.

Внутренняя часть тоннеля не менее интересна. Там находятся ниобий-титановые кабели со сверхпроводящими возможностями. Их длина составляет 7600 километров. Общий вес кабелей равен 1200 тонн. Внутренность кабеля — это сплетение 6300 проволок с общим расстоянием в 1,5 миллиарда километров. Такая длина равна 10 астрономическим единицам. Например, равняется 10 таким единицам.

Если говорить о его географическом местоположении, то можно сказать, что кольца коллайдера лежат меж городов Сен-Жени и Форнее-Вольтер, расположенными на французской стороне, а также Мейрин и Вессурат – со Швейцарской стороны. Маленькое кольцо, именуемое PS, проходит вдоль границы по диаметру.

Смысл существования

Для того чтобы ответить на вопрос «для чего нужен адронный коллайдер», нужно обратиться к учёным. Многие учёные говорят, что это самое великое изобретение за весь период существования науки, и то, что без него у науки, которая известна нам сегодня, просто нет смысла. Существование и запуск большого адронного коллайдера интересны тем, что при столкновении частиц в адронном коллайдере происходит взрыв. Все мельчайшие частицы разлетаются в разные стороны. Образовываются новые частицы, которые могут объяснить существование и смысл многого.

Первое, что учёные старались найти в этих разбившихся частицах — это теоретически предсказанную физиком Питером Хиггсом элементарную частицу, названную Это потрясающая частица является носителем информации, как считается. Ещё её принято называть «частицей Бога». Открытие ее приблизило бы учёных к пониманию вселенной. Нужно отметить, что в 2012 году, 4 июля, адронный коллайдер (запуск его частично удался) помог обнаружить похожую частицу. На сегодняшний день учёные пытаются изучить её подробнее.

Долго ли…

Конечно, сразу возникает вопрос, а почему учёные так долго изучают эти частицы. Если есть прибор, то можно запускать его, и каждый раз снимать все новые и новые данные. Дело в том, что работа адронного коллайдера — это дорогостоящее удовольствие. Один запуск обходится в большую сумму. Например, годовой расход энергии равняется 800 млн. кВт/ч. Такой объем энергии расходует город, в котором проживает около 100 тыс. человек, по средним меркам. И это не считая затрат на обслуживание. Ещё одна причина – это то, что у адронного коллайдера взрыв, который происходит при сталкивании протонов, связан с получением большого объёма данных: компьютеры считывают столько информации, что на обработку уходит большое количество времени. Даже несмотря на то что мощность компьютеров, которые получают информацию, велика даже по сегодняшним меркам.

Следующая причина — это не менее известная Учёные, работающие с коллайдером в этом направлении, уверены, что видимый спектр всей вселенной составляет всего 4%. Предполагается, что оставшиеся — это тёмная материя и тёмная энергия. Экспериментально пытаются доказать то, что эта теория верна.

Адронный коллайдер: за или против

Выдвинутая теория о тёмной материи поставила под сомнение безопасность существования адронного коллайдера. Возник вопрос: “Адронный коллайдер: за или против?” Он волновал многих учёных. Все великие умы мира разделились на две категории. «Противники» выдвинули интересную теорию о том, что если такая материя существует, то у неё должна быть противоположная ей частица. И при столкновении частиц в ускорителе возникает тёмная часть. Существовал риск того, что тёмная часть и часть, которую мы видим, столкнутся. Тогда это могло бы привести к гибели всей вселенной. Однако после первого запуска адронного коллайдера эта теория была частично разбита.

Далее по значимости идёт взрыв вселенной, вернее сказать – рождение. Считается, что при столкновении можно пронаблюдать то, как вселенная вела себя в первые секунды существования. То, как она выглядела после происхождения Большого взрыва. Считается, что процесс столкновения частиц очень схож с тем, который был в самом начале зарождения вселенной.

Ещё не менее фантастичная идея, которую проверяют учёные – это экзотические модели. Это кажется невероятным, но есть теория, которая предполагает, что существуют иные измерения и вселенные с похожими на нас людьми. И как ни странно, ускоритель и здесь сможет помочь.

Проще говоря, цель существования ускорителя в том, чтобы понять, что такое вселенная, как она была создана, доказать или опровергнуть все существующие теории о частицах и связанных с ними явлениях. Конечно, на это потребуются годы, но с каждым запуском появляются новые открытия, которые переворачивают мир науки.

Факты об ускорителе

Всем известно, что ускоритель разгоняет частицы до 99% скорости света, но не многие знают, что процент равен 99,9999991% от скорости света. Это потрясающая цифра имеет смысл благодаря идеальной конструкции и мощным магнитам ускорения. Также нужно отметить некоторые менее известные факты.

Приблизительно 100 млн. потоков с данными, которые приходят от каждого из двух основных детекторов, могут в считаные секунды заполнить больше 100 тысяч компакт-дисков. Всего за один месяц количество дисков бы достигло такой высоты, что если их сложить в стопу, то хватило бы до Луны. Поэтому было принято решение собирать не все данные, которые приходят с детекторов, а лишь те, которые разрешит использовать система сбора данных, которая по факту выступает как фильтр для полученных данных. Было решено записывать лишь 100 событий, которые возникли в момент взрыва. Записываться эти события будут в архив вычислительного центра системы Большого адронного коллайдера, который расположен в Европейской лаборатории по физике элементарных частиц, которая по совместительству является местом расположения ускорителя. Записываться будут не те события, которые были зафиксированы, а те, которые представляют для научного сообщества наибольший интерес.

Последующая обработка

После записи сотни килобайт данных будут обрабатывать. Для этого используется более двух тысяч компьютеров, расположенных, в ЦЕРН. Задача этих компьютеров заключается в обработке первичных данных и формировании из них базы, которая будет удобна для дальнейшего анализа. Далее сформированный поток данных будет направлен на вычислительную сеть GRID. Эта интернет-сеть объединяет тысячи компьютеров, которые располагаются в разных институтах по всему миру, связывает более сотни крупных центров, которые расположены на трёх континентах. Все такие центры соединены с ЦЕРН с использованием оптоволокна – для максимальной скорости передачи данных.

Говоря о фактах, нужно упомянуть также о физических показателях строения. Туннель ускорителя находится в отклонении на 1,4% от горизонтальной плоскости. Сделано это в первую очередь для того, чтобы поместить большую часть туннеля ускорителя в монолитную скалу. Таким образом, глубина размещения на противоположных сторонах разная. Если считать со стороны озера, которое находится недалеко от Женевы, то глубина будет равна 50 метрам. Противоположная часть имеет глубину 175 метров.

Интересно то, что лунные фазы влияют на ускоритель. Казалось бы, как такой отдалённый объект может воздействовать на таком расстоянии. Однако замечено, что во время полнолуния, когда происходит прилив, земля в районе Женевы, поднимается на целых 25 сантиметров. Это влияет на длину коллайдера. Протяжённость тем самым увеличивается на 1 миллиметр, а также изменяется энергия пучка на 0,02%. Поскольку контроль энергии пучка должен проходить вплоть до 0,002%, исследователи обязаны учитывать это явление.

Также интересно то, что туннель коллайдера имеет форму восьмиугольника, а не круга, как многие представляют. Углы образуются из-за коротких секций. В них располагаются установленные детекторы, а также система, которая управляет пучком ускоряющихся частиц.

Строение

Адронный коллайдер, запуск которого связан с использованием многих деталей и волнением учёных, – удивительное устройство. Весь ускоритель состоит из двух колец. Малое кольцо называется Протонный синхротрон или, если использовать аббревиатуры — PS. Большое кольцо – Протонный суперсинхротрон, или SPS. Совместно два кольца позволяют разогнать части до 99,9 % скорости света. При этом коллайдер повышает и энергию протонов, увеличивая их суммарную энергию в 16 раз. Также он позволяет сталкивать частицы между собой примерно 30 млн. раз/с. в течение 10 часов. От 4 основных детекторов получается по большей мере 100 терабайт цифровых данных в секунду. Получение данных обусловлено отдельными факторами. Например, они могут обнаружить элементарные частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд, а также обладают половинным спином. Поскольку эти частицы являются неустойчивыми, то прямое их обнаружение невозможно, возможно обнаружить только их энергию, которая будет вылетать под определённым углом к оси пучка. Эта стадия называется первым уровнем запуска. За этой стадией следят более чем 100 специальных плат обработки данных, в которые встроены логические схемы реализации. Эта часть работы характерна тем, что в период получения данных происходит отбор более чем 100 тысяч блоков с данными в одну секунду. Затем эти данные будут использоваться для анализа, который происходит с использованием механизма более высокого уровня.

Системы следующего уровня, наоборот, принимают информацию от всех потоков детектора. Программное обеспечение детектора работает в сети. Там оно будет использовать большое количество компьютеров для обработки последующих блоков данных, среднее время между блоками – 10 микросекунд. Программы должны будут создавать отметки частиц, соответствуя изначальным точкам. В результате получится сформированный набор данных, состоящих из импульса, энергии, траектории и других, которые возникли при одном событии.

Части ускорителя

Весь ускоритель можно поделить на 5 основных частей:

1) Ускоритель электронно-позитронного коллайдера. Деталь, представляет собой около 7 тысяч магнитов со сверхпроводящими свойствами. С помощью них происходит направление пучка по кольцевому туннелю. А также они сосредотачивают пучок в один поток, ширина которого уменьшится до ширины одного волоса.

2) Компактный мюонный соленоид. Это детектор, предназначенный для общего назначения. В таком детекторе ведутся поиски новых явлений и, например, поиск частиц Хиггса.

3) Детектор LHCb. Значение этого устройства заключается в поиске кварков и противоположных им частиц – антикварков.

4) Тороидальная установка ATLAS. Этот детектор предназначен для фиксации мюонов.

5) Alice. Этот детектор захватывает столкновения ионов свинца и протон-протонные столкновения.

Проблемы при запуске адронного коллайдера

Несмотря на то что наличие высоких технологий исключает возможность ошибок, на практике все иначе. Во время сборки ускорителя происходили задержки, а также сбои. Нужно сказать, что неожиданной такая ситуация не была. Устройство содержит столько нюансов и требует такой точности, что учёные ожидали подобных результатов. Например, одна из проблем, которая встала перед учёными во время запуска – отказ магнита, который фокусировал пучки протонов непосредственно перед их столкновением. Эта серьёзная авария была вызвана разрушением части крепления вследствие потери сверхпроводимости магнитом.

Эта проблема возникла 2007 году. Из-за неё запуск коллайдера откладывали несколько раз, и только в июне запуск состоялся, спустя почти год коллайдер все же запустился.

Последний запуск коллайдера прошёл успешно, было собрано множество терабайт данных.

Адронный коллайдер, запуск которого состоялся 5 апреля 2015 года, успешно функционирует. В течение месяца пучки будут гонять по кольцу, постепенно увеличивая мощность. Цели для исследования как таковой нет. Будет повышена энергия столкновения пучков. Значение поднимут с 7 ТэВ до 13 ТэВ. Такое увеличение позволит увидеть новые возможности при столкновении частиц.

В 2013 и 2014 гг. проходили серьёзные технические осмотры туннелей, ускорителей, детекторов и другого оборудования. В результате было 18 биполярных магнитов со сверхпроводящей функцией. Нужно отметить, что общее количество их составляет 1232 штуки. Однако оставшиеся магниты не остались без внимания. В остальных заменили системы защиты от остывания, поставили улучшенные. Также улучшена охлаждающая система магнитов. Это позволяет им оставаться при низких температурах с максимальной мощностью.

Если все пройдёт успешно, то следующий запуск ускорителя пройдёт лишь через три года. Через этот период намечены плановые работы по улучшению, техническому осмотру коллайдера.

Нужно отметить, что ремонт обходится в копейку, не учитывая стоимость. Адронный коллайдер, по состоянию на 2010 год имеет цену, равную 7,5 млрд. евро. Эта цифра выводит весь проект на первое место в списке самых дорогих проектов в истории науки.

Попал под поток частиц коллайдер. Большой адронный коллайдер

Туннель ускорителя БАК. Фото CERN

В последние дни одними из самых часто употребляемых слов во всем мире стали слова “Большой адронный коллайдер”. Гигантский ускоритель тяжелых элементарных частиц должен разгонять протоны до околосветовых скоростей и сталкивать их друг с другом. Будущие соударения должны породить новые частицы и уже породили массу слухов. В частности, слух о том, что коллайдер уничтожит Землю. Насколько оправданы эти страхи и для чего физики пугают своих соседей по планете? Конец света по науке

В среду, 10 сентября 2008 года, в 11:30 по московскому времени инженеры и ученые, собравшиеся на границе Швейцарии и Франции, нажмут на большую красную кнопку, и пучки протонов начнут движение по кольцу Большого адронного коллайдера. В четырех местах кольца протоны будут с огромной энерги ей сталкиваться друг с другом. Чудовищная сила удара приведет к рождению новых частиц с необычными свойствами. Так, при столкновениях появятся капельки так называемой “страной материи”, или “страпельки”, которые превращают в “странную материю” все, с чем контактируют.

Кроме того, столкновение протонов неизбежно приведет к образованию антиматерии – антипода “обычной” материи, из которой состоят люди, деревья, стенки туннеля БАК и сама планета Земля. При контакте частиц “обычной” и антиматерии обе они взаимоуничтожаются.

В БАК будет достигнута энерги я, достаточная для образования микроскопических черных дыр, – объектов огромной массы, которые притягивают к себе всю находящуюся поблизости материю. Сначала маленькая, постепенно черная дыра будет поглощать вещество и увеличиваться в размерах. Чем больше она будет становиться, тем быстрее будет поглощать материю. В конце концов возникшая в туннеле БАК черная дыра поглотит всю Землю. Примерно вот так:

И еще раз

Сколь бы величественна в своей чудовищности ни была эта картина, ничего подобного 10 сентября не произойдет. Как будут развиваться события в реальном БАК, а не в БАК из научной фантастики?

В среду, 10 сентября 2008 года, в 11:30 по московскому времени инженеры и ученые, собравшиеся на границе Швейцарии и Франции, запустят в туннель БАК длиной 27 километров пучок протонов. Сначала протоны пройдут по первому сегменту кольца (всего их восемь), потом по второму и, наконец, к концу дня элементарные частицы начнут циркулировать по всему кольцу ускорителя. Энергия инжекции (энерги я, с которой протоны запускают в ускоритель) будет составлять 450 гигаэлектронвольт. Никаких столкновений частиц 10 сентября происходить не будет, так как все они будут двигаться в одном направлении (по часовой стрелке).

На следующий день (или через несколько дней – пока трудно сказать точнее), ученые запустят протоны по кольцу БАК в противоположном направлении. Если оба запуска пройдут нормально, инженеры приступят к настройке огромных магнитов, которые выступают в роли регулировщиков движения протонов. Когда частицы запускаются в ускоритель, они движутся по прямой. Для того чтобы они не улетали за пределы кольца (и не повредили сам БАК), магниты искривляют траекторию движения протонов, заставляя их “держаться в полосе”.

В первые несколько дней работы коллайдера специалисты должны убедиться, что элементарные частицы стабильно циркулируют по кольцу ускорителя. Если работа магнитов отлажена недостаточно, то орбита движения протонов может быть сбита. В этом случае подача протонов в БАК прекратится до тех пор, пока инженеры не настроят все параметры магнитной системы.

Факты о Большом адронном коллайдере
  • Длина окружности кольца ускорителя БАК равна 26659 метров
  • Максимальная скорость протонов в кольце ускорителя будет составлять 99,99 процента скорости света. За одну секунду пучок элементарных частиц сделает 11245 полных кругов по ускорителю
  • Каждую секунду частицы будут сталкиваться около 600 миллионов раз. Температура в месте столкновения будет в 100 тысяч раз больше, чем температура в центре Солнца
  • Внутри вакуумных труб, по которым движутся протоны, поддерживается давление 10 -13 атмосфер
  • Движением потока протонов управляют 9300 магнитов. Они охлаждаются до температуры -193,2 градуса по Цельсию (80 градусов по Кельвину) с помощью 10080 тонн жидкого гелия. Затем в охлаждающие модули заливают 60 тонн жидкого гелия, и температура магнитов падает до -271,3 градуса по Цельсию (1,9 градуса по Кельвину)
  • Только после того как работа магнитов будет полностью проверена, ученые планируют в первый раз столкнуть два пучка протонов. Энергия столкновений должна составить 900 гигаэлектронвольт (при энерги и инжекции каждого пучка в 450 гигаэлектронвольт). Такие столкновения не должны приводить к рождению опасных частиц. Ученые утверждают это не только из теор етических, но и из практических соображений: с такой энерги ей протоны сталкивались в других ускорителях, например в Теватроне , расположенном в штате Иллинойс в США (максимальная энерги я столкновения в этом ускорителе составляла 1,96 тераэлектронвольт).

    Во время “пробных” столкновений инженеры БАК смогут протестировать работу детект оров. Всего в кольце ускорителя находятся четыре детект ора: два больших ATLAS и CMS (по размеру они сравнимы с собором Парижской Богоматери), и два поменьше – ALICE и LHCb. Детекторы не только регистрируют сигнал от столкновения, но также усиливают его (одна из составных частей детект оров – экраны из вольфрамата свинца – были созданы российскими физиками). Конструкция больших и малых детект оров несколько отличается, однако и те, и другие переводят сигналы от столкновения частиц в электрические импульсы.

    Если все системы будут работать без сбоев, то к концу 2008 года ученые рассчитывают добиться энерги и столкновений в 10 тераэлектронвольт. Дополнительное ускорение пучкам протонов придают магниты, расположенные вдоль туннеля ускорителя. После того как эта цель будет достигнута, БАК остановят до начала 2009 года (эксперимент экспериментом, а от рождественских каникул физики отказываться не намерены). Протоны начнут сталкиваться с той самой чудовищной энерги ей в 14 тераэлектронвольт (с такой энерги ей, например, сталкиваются в полете два комара) не раньше нового года.

    При таких энерги ях ученые надеются обнаружить рождение новых частиц (правда, образования “страпелек” не ожидается). С момента стабилизации высокоэнергетичных пучков на детект оры польется нескончаемый поток данных. Эксперимент, проводимый на коллайдере, не похож на химические или биологические опыты, когда ученые совершают некие действия (например, добавляют в культур у клеток лекарство), смотрят на результат и исходя из него проводят следующие опыты. После того как БАК выйдет на свои номинальные параметры, ученые будут непрерывно анализировать получаемую информацию. Основой для выводов, которые будут делать исследователи, является статистика. Столкновения частиц – достаточно редкое явление даже в благоприятных для этого условиях коллайдера. Чтобы доказать или опровергнуть какую-то теор ию, необходимы тысячи столкновений.

    Новые сети

    Во время обсуждения проекта создания БАК вероятность коллапса информационного рассматривалась существенно серьезнее, чем физического. По предварительным оценкам, ежегодно с БАК будет поступать 15 петабайт (15 миллионов гигабайт) информации. Такое количество данных умещается на 1,7 миллиона двухслойных DVD.

    Это будут так называемые сырые данные (raw data). Для того чтобы с их помощью понять, что же произошло в ускорителе (ведь сфотографировать непосредственно столкновения частиц нельзя), полученную с детект оров информацию необходимо обработать. Сделать это с помощью одного или нескольких суперкомпьютеров, пусть даже самых мощных, не представляется возможным. Необходимые для обработки вычислительные мощности можно получить, только используя принцип распределенных вычислений.

    Компьютеры, на которых будут обрабатываться поступающие от БАК данные, будут находиться по всему миру. В идеале, каждый заинтересованный в эксперименте физик сможет участвовать в процессе со своего компьютера. До настоящего момента именно так были устроены все системы распределенных вычислений (наверное, самый известный пример – это проект [email protected] , участники которого ищут внеземную жизнь, обрабатывая сигналы радиотелескопов). Все они “довольствовались” структурой, предоставляемой интернетом. Для того чтобы “сладить” с БАК, этого недостаточно.

    Специально для проекта коллайдера в CERN была разработана система GRID, которую многие называют следующей стадией эволюции Сети. GRID предназначена для хранения и обработки больших массивов данных. Она включает в себя несколько подуровней. Коротко работу GRID можно описать следующим образом: сначала сырые данные с детект оров БАК поступают на сервера CERN, где они сохраняются и подвергаются первичной обработке. Затем информация передается в 11 крупных компьютерных центров, расположенных в Европе и США. Эти центры получили название центров первого уровня (Tier-1). С них данные рассылаются на 120 компьютерных центров второго уровня (Tier-2), которые предназначены для решения конкретных аналитических задач. Исследователи будут иметь доступ к данным с центров второго уровня со своих компьютеров.

    Название GRID было выбрано по аналогии с названием электросетей (electric power grid). Когда человек включает в своей квартире свет, энерги я, которая заставляет его лампочку светиться, может прийти из Красноярска или из ближнего Подмосковья. С ТЭЦ или АЭС энерги я поступает на электроподстанции, откуда распределяется по конечным пользователям. Этот же принцип реализован в GRID.

    Супермодель

    Под конец коснемся вопроса, зачем же физикам понадобился такой масштабный эксперимент (стоимость проекта БАК составляет более пяти миллиардов долларов – по другим оценкам, более восьми – без учета потребляемой коллайдером электроэнерги и, отдельные компоненты этой установки производились на заводах разных стран-участниц). Как читатель уже, вероятно, много раз слышал по телевизору и читал в интернете, с помощью БАК ученые хотят воссоздать условия, которые существовали во Вселенной сразу после Большого Взрыва. Если обратиться к истории создания других ускорителей, то выяснится, что они были сконструированы для этой же цели. Просто БАК является более совершенной моделью.

    После Большого Взрыва юные элементарные частицы сталкивались между собой, из них рождались новые частицы, и через миллиарды лет (по современным оценкам, 13,7 миллиарда лет назад) Вселенная приобрела тот вид, который имеет сейчас. Физики пытаются объяснить, как именно она устроена, и на сегодняшний день наиболее популярной является так называемая Стандартная модель. В частности, она объясняет, как именно частицы приобретают массу. Стандартная модель связывает массу частиц с так называемым полем Хиггса, элементарной частицей которого является бозон Хиггса. Его существование было предсказано в 1960-е годы физиком Питером Хиггсом, однако до сих пор эту частицу обнаружить не удавалось. В БАК будут созданы идеальные условия для ее появления. Если бозон Хиггса действительно существует, то рано или поздно он должен возникнуть в коллайдере (здесь ученым должна помочь накопленная статистика). В этом случае Стандартная модель из разряда теор ии перейдет в разряд факта. Наряду со свойством объяснять наблюдаемые явления “правильная” теор ия должна их предсказывать, а Стандартная модель предсказывает возникновение бозона Хиггса.

    Если за время работы БАК (сейчас физики ориентируются на 20 лет) бозон Хиггса найден не будет – тогда от Стандартной модели придется отказаться. Известный британский астрофизик, специалист по черным дырам и популяризатор науки Стивен Хокинг объявил, что поставил 100 долларов на то, что ученые не смогут обнаружить бозон Хиггса. По мнению Хокинга, отрицательный результат будет куда более интересным, чем положительный, так как он поставит под сомнение правомерность современной физики элементарных частиц. Если злополучная частица не будет найдена – ученым придется хорошенько “подумать еще раз”.

    Помимо поисков природы массы и бозона Хиггса с помощью БАК физики рассчитывают подтвердить или опровергнуть теор ию суперсимметрии. Она предполагает, что у элементарных частиц существуют суперсимметричные партнеры. Экспериментальное доказательство суперсимметрии, в свою очередь, станет серьезным доводом в пользу правомерности теор ии струн, которая постул ирует, что базовыми составляющими элементарных частиц являются не еще более мелкие частицы, а протяженные одномерные струны (более подробно о теор ии струн можно прочитать ). Теория струн претендует на фундаментальный переворот наших представлений об “устройстве всего”.

    Данные, полученные с помощью БАК, возможно, помогут физикам убедиться в том, что наш мир многомерен (только в этом случае, кстати, теор етически возможно образование в коллайдере микроскопических черных дыр). И это далеко не все, для чего науке может “пригодиться” коллайдер.

    Если бы было возможно выразить соотношение польза/риск для БАК в численном виде, то полученная цифра, вероятно, имела бы много знаков. Если разговаривать о катастрофических последствиях запуска коллайдера с серьезными учеными, то выражение “если предположить, что…, хотя это никак пока не доказано” будет встречаться приблизительно в каждом предложении. Несмотря на крайне низкую вероятность трагического развития событий, физики провели несколько исследований возможной опасности БАК и пришли к выводу, что она ничтожна. Последний отчет был опубликован несколько дней назад. Впрочем, истерия вокруг коллайдера (включая даже судебные процессы с требованием запретить его запуск , так как он угрожает существованию мира) привлекает внимание людей к этому грандиозному научному проекту. А тем, кто все-таки волнуется за сохранность планеты, можно посоветовать расслабиться – по крайней мере, до наступления нового года. Тем более что физики уже начали обсуждать проект нового коллайдера, в котором будут сталкиваться электроны и который по размеру превзойдет БАК.

    Предыдущие материалы по теме

      БАК: Будет Аннигиляционная Катастрофа?
      Представляет ли строящийся в ЦЕРНе Большой адронный коллайдер угрозу для жизни на Земле?

    Ссылки по теме

    • Большой адронный коллайдер прошел последнюю проверку – Lenta. ru, 25.08.2008
    • Тестовый пуск Большого адронного коллайдера назначен на 10 сентября – Lenta.ru, 08.08.2008
    • Закончена сборка многоцелевого детект ора Большого адронного коллайдера – Lenta.ru, 03.03.2008
    • Крупнейшая в мире криогенная система готова к тестированию – Lenta.ru, 08.11.2007
    • В Большом адронном коллайдере завершена установка сверхпроводящих магнитов – Lenta.ru, 27.04.2007
    • В Женеве появился Большой адронный коллайдер – Lenta.ru, 28.02.2007

    Сайты по теме

    Анонсы новостей

    Перезапуск позволит ученым продолжить изучение уникальных свойств антиматерии с большей детализацией.

    «Мы даже сможем узнать, реагирует ли антиводород на гравитацию, – говорит Севьор. – Это сложный, но интересный тест для фундаментальной физики. Мы ожидаем, что антивещество ускоряется в ответ на гравитацию так же, как и материя, но никто этого не проделывал раньше; если нет, это может перевернуть работу гравитации с ног на голову».

    Изучение гравитации и дополнительных измерений пространства-времени

    Ученые хотят понять, почему гравитация так отличается от других сил природы. Вполне возможно, что мы не ощущаем на себе полный эффект гравитации, потому что она распространяется в дополнительных измерениях.

    Ученые вполне могут узнать больше об этих дополнительных измерениях, наблюдая за частицами, которые могут существовать только в них и реальны.

    «Вместо суперсимметрии в качестве фундаментально новой физики мы можем получить дополнительные измерения, – говорит Севьор. – Теории предполагают, что в других измерениях могут быть более тяжелые версии стандартных частиц – частицы Калуцы — Клейна, обладающие большей массой, чем стандартные частицы».

    Эти частицы могут быть выявлены только при высокоэнергетических столкновениях.

    Создание черных дыр

    Черные дыры – это места, в которых гравитация настолько сильна, что даже свет не может их покинуть. -27 секунд, распавшись на обычные или суперсимметричные частицы.

    «Если БАК действительно создаст микроскопические черные дыры, это будет доказательством дополнительных измерений, и необычные следы от их появления будет легко заметить», – говорит Севьор.

    То, что обнаружат ученые, будет зависеть от числа дополнительных измерений, массы черной дыры, размера измерений и энергии, при которой возникнет черная дыра.

    Существуют ли страпельки?

    Как и черные дыры, существует еще одна теоретическая опасность высокоэнергетических столкновений на БАК – страпельки-убийцы (killer-strangelet).

    Страпельки («странные капельки»)- это гипотетические субатомные куски странной материи, состоящей почти полностью из верхних, нижних и странных кварков, которые в соответствии с теорией становятся тем стабильнее, чем больше растут.

    Одна из теорий предполагает, что страпельки могут изменить обычную материю за тысячную долю секунды, уничтожив Землю, превратив ее в гигантскую страпельку-убийцу.

    Но Севьор говорит, что это вряд ли произойдет.

    «Надеюсь, мы найдем это, поскольку это крайне интересно. И я нисколько не обеспокоен, поскольку Земля и другие планеты бомбардируются высокоэнергетическими лучами, и если бы это странное вещество превращало обычную материю в страпельки, она бы давно уничтожила все миллиарды лет назад».

    «Тот факт, что мы все еще здесь, отлично доказывает, что не о чем переживать».

    Как работает Большой адронный коллайдер?

    Самый большой в мире ускоритель элементарный частиц представляет собой 27-километровой подземное кольцо, расположенное на границе между Францией и Швейцарией.

    Объект стоимостью в 10 миллиардов долларов управляется ЦЕРН, Европейской организацией ядерных исследований и сталкивает субатомные частицы друг с другом почти на скорости света.

    Для столкновения используется две соседствующие трубы, лучевые линии, оснащенные мощными сверхпроводящими электромагнитами, охлаждаемыми жидким гелием до температуры ниже -271 градусов по Цельсию. Такой себе самый большой холодильник на планете.

    Эти магниты направляют пучки протонов или атомных ядер по каждой из линий в противоположных направлениях. Столкновения частиц происходят в четырех гигантских подземных детекторах, расположенных в местах пересечений лучевых линий.

    Первые пучки протонов были отправлены по кольцу БАК 10 сентября 2008 года, но спустя девять дней неисправность в электрическом соединении привела к утечке жидкого гелия и взрыва, который закрыл объект на год.

    В ноябре 2009 года все началось снова, но мощность понизили. В начале 2013 года БАК был закрыт на повышение мощности с 8 ТэВ до 14 ТэВ. Электрон-вольт – мера энергии, используемая в области физики частиц для определения количества энергии, которую получает один электрон при ускорении с помощью одного вольта электрической разности потенциалов.

    «Если мы запустим электрон с конца 1,5-вольтовой батарейки, он получит 1,5 электрон-вольт кинетической энергии, – говорит Севьор. – Это намного слабее, чем укус комара, вы его не заметите, но если в вас попадет луч с мегаваттом энергии, он прожжет в вас отверстие».

    Разгоняемые в БАК элементарные частицы имеют заряд. Если речь идет, например, о протонах, этот заряд будет положительным. На находящуюся в электрическом поле частицу действует сила, которая придает ей ускорение. Именно этот физический принцип лежит в основе работы ускорительных секций БАК. С точки зрения инженерного воплощения этого принципа все, конечно, несколько сложнее. В БАК частицы ускоряются в резонаторах — камерах сложной формы. В резонаторах возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна (в чем-то ее можно уподобить колебанию струны), фазы колебаний которой согласованы с прохождением по камере сгустка заряженных частиц таким образом, чтобы волна (в микроволновом диапазоне) все время «подталкивала» его в заданном направлении. Если частицу в БАК ускоряет электрическое поле, то направление ей задает поле магнитное. Именно каскад из сверхпроводящих магнитов постоянно отклоняет путь частицы, чтобы она двигалась не по прямой, а описывала 27-километровые круги. Кроме того, магниты отвечают за фокусирование пучка.

    Почему радуга иногда видна в виде полной дуги, а иногда лишь в виде фрагментов?

    В идеальном случае радуга имеет форму дуги от горизонта до горизонта, с высоты можно даже наблюдать радугу, имеющую полную кольцевую форму. Хорошо известно, что это явление возникает из-за преломления солнечных лучей в капле воды, но, если воздух насыщен влагой лишь на отдельных участках, в дуге могут возникнуть разрывы.

    Каким образом из воздуха извлекается азот?

    Существует несколько промышленных методов извлечения азота из атмосферного воздуха. Один из них — фракционная дистилляция сжиженного воздуха. Дело в том, что температура кипения азота (-195°C) ниже, чем температура кипения кислорода (-183°C). Поэтому при постепенном нагревании жидкого воздуха сначала испарится азот, а кислород останется в жидкой фазе. Так эти газы можно разделить.

    Почему человек чихает, когда ему холодно?

    Главная причина чихания, то есть взрывного выдоха через нос, — потребность организма выбросить из носоглотки некие инородные раздражители ее слизистой оболочки, например пыль или соринки. Такая же реакция следует на воспаление слизистой. Однако нервные окончания, которые подают сигнал центру в продолговатом мозге, ответственному за чихание, реагируют и на другие раздражители. Например, резкую смену температуры окружающего воздуха или даже яркий свет.

    Как спят киты?

    Это один из интереснейших вопросов науки о морских животных. Дело в том, что в отличие от человека, дыхание которого может управляться неосознанно, киты делают вдох и выдох сознательным усилием. Иными словами, мы можем продолжать дышать, находясь без сознания, а кит не может. Исследования дельфинов показали, что эти представители китообразных умеют спать по очереди то одним полушарием, то другим. Но недавно ученые из шотландского университета Сент-Эндрю выяснили, что, например, кашалоты способны засыпать полностью, обоими полушариями. Эти животные временами «дрейфуют» под водой в вертикальном положении, причем практически не реагируют при этом на внешние раздражители. Оказалось, что кашалоты все же улучают небольшие промежутки времени для полноценного сна. Поспав 10−15 минут, они пробуждаются, выныривают к поверхности, делают вдох и вновь погружаются под воду для очередной порции дремы.

    (или БАК) – на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.

    История, мифы и факты

    Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

    Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

    Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.

    А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

    Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.

    Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы – это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).

    Как работает большой адронный коллайдер

    Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.

    В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

    Результаты работы большого адронного коллайдера.

    Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

    Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц , получены первые данные столкновений на рекордных энергиях , показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов , обнаружены необычные корреляции протонов . Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

    И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ . Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ . Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере – далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

    Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут . Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

    Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

    Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным – из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

    Технические характеристики BAK

    В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

    Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

    Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля – от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

    Детекторы БАК

    На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

    • ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
    • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
    • CMS (Compact Muon Solenoid)
    • LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
    • TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
    • LHCf (The Large Hadron Collider forward)
    • MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

    ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf – вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

    Детекторы ATLAS и CMS – детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE – для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM – предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf – для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

    С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

    Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

    Ускорение частиц в коллайдере

    Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

    Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

    Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

    Цели и задачи БАК

    Главная задача Большого адронного коллайдера – выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, “прощупав” его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности – заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

    Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера – получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» – например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк – самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе – Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК – ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса – частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» – теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. : диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций – непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

    Как работает большой адронный коллайдер. Что такое коллайдер и зачем он нужен

    Где находится большой адронный коллайдер?

    В 2008 году CERN (Европейский совет ядерных исследований) завершил строительство сверхмощного ускорителя частиц, названного Большой адронный коллайдер. По-английски: LHC – Large Hadron Collider. CERN – международная межправительственная научная организация, образованная в 1955 году. По сути, это главная лаборатория мира в областях высоких энергий, физики частиц и солнечной энергетики . Членами организации являются порядка 20 стран.

    Зачем нужен большой адронный коллайдер?

    В окрестностях Женевы в 27-километровом (26 659 м) круговом бетонном тоннеле создано кольцо сверхпроводящих магнитов для разгона протонов. Предполагается, что ускоритель поможет не только проникнуть в тайны микроструктуры материи, но и позволит продвинуться в поисках ответа на вопрос о новых источниках энергии в глубине материи.

    С этой целью одновременно со строительством самого ускорителя (стоимостью свыше 2 млрд долларов) созданы четыре детектора частиц. Из них два больших универсальных (CMS и ATLAS) и два – более специализированных. Общая стоимость детекторов приближается также к 2 млрд долларов. В каждом из больших проектов CMS и ATLAS приняли участие свыше 150 институтов из 50 стран, в том числе российских и белорусских.

    Охота за неуловимым бозоном Хиггса

    Как работает адронный коллайдер ускоритель? Коллайдер – это крупнейший ускоритель протонов, работающий на встречных пучках. В результате ускорения каждый из пучков будет иметь энергию в лабораторной системе 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), то есть 7×1012 электрон-вольт. При столкновении протонов образуется множество новых частиц, которые будут регистрироваться детекторами. После анализа вторичных частиц полученные данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, волнующие ученых, занимающихся физикой микромира и астрофизикой. В числе главных вопросов – экспериментальное обнаружение бозона Хиггса.

    Ставший «знаменитым» бозон Хиггса – гипотетическая частица, являющаяся одним из главных компонентов так называемой стандартной, классической модели элементарных частиц. Назван по имени британского теоретика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Считается, что хиггсовские бозоны, будучи квантами поля Хиггса, имеют отношение к фундаментальным вопросам физики. В частности – к концепции происхождения масс элементарных частиц.

    2-4 июля 2012 ряд экспериментов на коллайдере выявили некую частицу, которую можно соотнести с бозоном Хиггса. Причем, данные подтвердились при измерении и системой ATLAS, и системой CMS. До сих пор идут споры, действительно ли открыт пресловутый бозон Хиггса, или это другая частица. Факт в том, что обнаруженный бозон – самый тяжелый из ранее фиксировавшихся. Для решения фундаментального вопроса были приглашены ведущие физики мира: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Энглер и сам Питер Хиггс, теоретически обосновавший в далеком 1964 году существование бозона, названного в его честь. После анализа массива данных, участники исследования склонны считать, что бозон Хиггса действительно обнаружен.

    Многие физики надеялись, что при исследовании бозона Хиггса выявятся «аномалии», которые заставили бы говорить о так называемой «Новой физике». Однако к концу 2014 года обработан почти весь массив данных, накопленный за три предыдущих года в результате экспериментов на БАК, и интригующих отклонений (за исключением отдельных случаев) не выявлено. На поверку оказалось, что двухфотонный распад пресловутого бозона Хиггса оказался, по словам исследователей, «слишком стандартным». Впрочем, намеченные на весну 2015 года эксперименты могут удивить научный мир новыми открытиями.

    Не бозоном единым

    Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.

    Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц. Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е =mc ². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.

    Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.

    Вклад белорусских и российских ученых и инженеров в создание БАК

    На этапе строительства европейские партнеры из CERN обратились к группе белорусских ученых, имеющих серьезные наработки в этой области, принять участие в создании детекторов для LHC с самого начала проекта. В свою очередь, белорусские ученые пригласили к сотрудничеству коллег Объединенного института ядерных исследований из наукограда Дубна и других российских институтов. Специалисты единой командой приступили к работе над так называемым детектором CMS – «Компактным мюонным соленоидом». Он состоит из многих сложнейших подсистем, каждая из которых сконструирована так, чтобы выполнялись специфические задачи, при этом совместно они обеспечивают идентификацию и точное измерение энергий и углов вылета всех частиц, рождающихся в момент протонных столкновений в БАК.

    Белорусско-российские специалисты также участвовали в создании детектора ATLAS. Это установка высотой 20 м, способная измерить траектории частиц с высокой точностью: до 0,01 мм. Чувствительные датчики внутри детектора содержат около 10 млрд транзисторов. Приоритетная цель эксперимента ATLAS состоит в обнаружении бозона Хиггса, изучении его свойств.

    Без преувеличения, наши ученые внесли существенный вклад в создание детекторов CMS и ATLAS. Некоторые важные компоненты были изготовлены на минском Машиностроительном заводе им. Октябрьской революции (МЗОР). В частности – торцевые адронные калориметры для эксперимента CMS. Кроме того, завод произвел весьма сложные элементы магнитной системы детектора ATLAS. Это крупногабаритные изделия, требующие владения специальными технологиями обработки металлов и сверхточной обработки. По оценке техников CERN, заказы были выполнены блестяще.

    Нельзя недооценивать и «вклад личностей в историю». Например, инженер кандидат технических наук Роман Стефанович ответственен в проекте CMS за сверхточную механику. В шутку даже говорят, что без него CMS не был бы собран. Но если серьезно, то можно вполне определенно утверждать: без него сроки сборки и наладки при требуемом качестве не были бы выдержаны. Другой наш инженер-электронщик Владимир Чеховский, пройдя достаточно сложный конкурс, сегодня отлаживает электронику детектора CMS и его мюонных камер.

    Наши ученые участвуют как в запуске детекторов, так и в лабораторной части, в их эксплуатации, поддержании и обновлении. Ученые из Дубны и их белорусские коллеги полноправно занимают свои места в международном физическом сообществе CERN, которое трудится ради получения новой информации о глубинных свойствах и строении материи.

    Видео

    Обзор от канала Простая наука, наглядно показывающий принцип действия ускорителя:

    Обзор от уанала Галилео:

    Обзор от уанала Галилео:

    Адронный коллайдер запуск 2015:

    Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.

    Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.

    Амбициозный проект человечества

    Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.

    Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.

    Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера.

    Зачем нужен большой адронный коллайдер

    Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.

    Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.

    Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и звёздного пространства.

    Бозон Хиггса

    В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.

    Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.

    А открывшиеся управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.

    Как он работает

    Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.

    Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.

    На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.

    Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная для достижения поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.

    Цель оправдывает средства

    Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.

    Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились Освоило человечество металлургию – здравствуйте, пушки и ружья!

    Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.

    Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос “зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас” на самом деле – не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.

    Вопросы, на которые не отвечают

    Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает…

    Опасения научных коллег

    Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.

    Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков – всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?

    Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере…

    Информационная диктатура

    Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.

    Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность – делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.


    В этом году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось». Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к собственной бабушке и скажу: посмотри-ка, пожалуйста, – из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но экспериментально существование бозона пока не подтверждено: все надежды – на ускоритель LHC.

    Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.

    Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?
    Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.

    Комментирует член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий Сергей Денисов:
    – В этом коллайдере участвует много российских физиков, которые связывают определенные надежды с открытиями, которые могут там произойти. Основное событие, которое может случиться – это открытие так называемой гипотетической частицы Хиггса (Питер Хиггс — выдающийся шотландский физик.). Роль этой частицы чрезвычайно важна. Она ответственна за образование массы других элементарных частиц. Если такую частицу откроют, то это будет величайшим открытием. Оно подтвердило бы так называемую Стандартную модель, которая сейчас широко используется для описания всех процессов в микромире. Пока эта частица не будет открыта, эту модель нельзя считать полностью обоснованной и подтвержденной. Это, конечно, самое первое, чего ученые ожидают от этого коллайдера (LHC).
    Хотя, вообще говоря, никто не считает эту Стандартную модель истиной в последней инстанции. И, скорее всего, по мнению большинства теоретиков, она является приближением или, иногда говорят, «низкоэнергетическим приближением» к более Общей теории, которая описывает мир на расстояниях в миллион раз меньших, чем размер ядер. Это примерно как теория Ньютона является «низкоэнергетическим приближением» к теории Эйнштейна – теории относительности. Вторая важная задача, связанная с коллайдером – это попытаться перейти за пределы этой самой Стандартной модели, то есть совершить переход к новым пространственно-временным интервалам.

    Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом.
    Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи. Скажу одно, что на БАКе могут быть открыты совершенно новые свойства пространства и времени. В каком направлении они будут открыты – сейчас сказать трудно. Главное – прорываться дальше и дальше.

    Справка

    Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) — крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. К настоящему времени число стран-участниц выросло до 20. Около 7000 ученых, представляющих 500 научных центров и университетов, пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Кстати, в работе над Большим адронным коллайдером принимал непосредственное участие и российский Институт ядерной физики СО РАН. Наши специалисты сейчас заняты монтажом и тестированием оборудования, которое разработано и произведено в России для этого ускорителя. Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет запущен в мае 2008 года. Как выразился Лин Эванс, глава проекта, ускорителю не хватает лишь одной детали – большой красной кнопки.

    Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

    Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным – из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

    Технические характеристики BAK

    В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

    Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

    Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля – от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

    Детекторы БАК

    На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

    • ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
    • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
    • CMS (Compact Muon Solenoid)
    • LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
    • TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
    • LHCf (The Large Hadron Collider forward)
    • MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

    ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf – вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

    Детекторы ATLAS и CMS – детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE – для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM – предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf – для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

    С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

    Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

    Ускорение частиц в коллайдере

    Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

    Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

    Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

    Цели и задачи БАК

    Главная задача Большого адронного коллайдера – выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, “прощупав” его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности – заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

    Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера – получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» – например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк – самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе – Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК – ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса – частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» – теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. : диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций – непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

    Большой адронный коллайдер (Large Hardon Collider, LHC) — это типичный (хотя и сверхмощный) ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. БАК — это микроскоп, с помощью которого физики будут разгадывать, из чего и как сделана материя, получая сведения об её устройстве на новом, еще более микроскопическом уровне.

    Многие ждали с нетерпением, а что же будет после его запуска, но нечего в принципе и не произошло — наш мир сильно скучен, чтобы случилось что-то действительно интересное и грандиозное. Вот она цивилизация и её венец творения человек, как раз получилась некая коалиция цивилизации и людей, сплотившись вместе уже на протяжении века, в геометрической прогрессии загаживаем землю, и бесчинно разрушаем всё то, то накапливалось миллионы лет. Об этом мы поговорим в другом сообщении, и так – вот он АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР .

    Вопреки многочисленным и разносторонним ожиданиям, народов и СМИ всё прошло тихо и мирно. О, как же было всё раздуто, например газеты твердили от номера к номеру: «БАК = конец света!», «Путь к катастрофе или открытиям?», «Аннигиляционная Катастрофа», чуть ли не конец света пророчили и гигантскую черную дыру, в которую засосет всю землю. Видимо эти теории выдвигали завистливые физики, у которых в школе не получилось получить аттестат об окончании с цифрой 5, по этому предмету.

    Вот, например был такой философ Демокрит, который в своей древней Греции (кстати, современные школьники пишут это одним словом, т.к. воспринимают это несуществующей странной , наподобие СССР, Чехословакии, Австро-Венгрия, Саксония, Курляндия и т.д. – «Древняягреция») он высказал некую теорию, что вещество состоит из неделимых частиц – атомов , но доказательство этому, ученые нашли только приблизительно через 2350 лет. Атом (неделимый) – разделить тоже можно, это обнаружили ещё спустя 50 лет, на электроны и ядра, а ядро – на протоны и нейтроны. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. На сегодняшний день физики считают, что кварки – предел деления материи и ничего меньше не существует. Известно шесть типов кварков: верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный, нижний – а соединяются они с помощью глюонов.

    Слово «коллайдер» происходит от английского collide – сталкиваться. В коллайдере два пуска частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. Тогда как в обычных ускорителях, которые строятся и работают вот уже несколько десятилетий (первые их модели относительно умеренных размеров и мощности, появились ещё перед второй мировой войной в 30-х годах), пучек ударяет по неподвижной мишени и энергии такого соударения гораздо меньше.

    «Адронным» коллайдер назван, потому что предназначается для разгона адронов. Адроны – это семейство элементарных частиц, к которым относятся протоны и нейтроны, из них состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов – то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склееных» глюонами.

    Большим коллайдер стал из-за своих размеров – это крупнейшая физическая экспериментальная установка из всех когда-либо существующих в мире, только основное кольцо ускорителя тянется более, чем на 26 км.

    Предполагается, что скорость разогнанных БАКом протонов составит 0,9999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн. Суммарная энергия сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ (14 тераэлектро-вольта, а ядер свинца – 5,5ГэВ на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Нуклоны (от лат. nucleus – ядро) – общее название для протонов и нейтронов.

    Существуют разные мнения по поводу техники создания ускорителей на сегодняшний день: одни уверяют, что она подошла к своему логическому приделу, другие же что предела совершенству нет – и различными обзорами приводят обзоры конструкций, размер которых в 1000 раз меньше, а по производительности выше БАК’а. В электронике или компьютерной технике постоянно идет миниатюризация при одновременном росте работоспособности.

    Large Hardon Collider, LHC — a typical (albeit extremely) accelerator of charged particles in the beams, designed to disperse the protons and heavy ions (lead ions) and study the products of their collisions. BAC — this microscope, in which physics will unravel, what and how to make the matter of getting information about its device in a new, even more microscopic level.

    Many waited eagerly, but what comes after his run, but nothing in principle and has not happened — our world is missing much that has happened is something really interesting and ambitious. Here it is a civilization and its crown of creation man, just got a sort of coalition of civilization and the people, unity, together for over a century, in a geometric progression zagazhivaem land, and beschinno destroying anything that accumulated millions of years. On this we will talk in another message, and so — that he Hadron Collider.

    Despite the many and varied expectations of peoples and the media all went quiet and peacefully. Oh, how it was all bloated, like the newspaper firm by number of rooms: «BAC = the end of the world!», «The road to discovery or disaster?», «Annihilation catastrophe», almost the end of the world and things are a gigantic black hole in zasoset that all the land. Perhaps these theories put forward envious of physics, in which the school did not receive a certificate of completion from the figure 5, on the subject.

    Here, for example, was a philosopher Democritus, who in ancient Greece (and, incidentally, today’s students write it in one word, as seen this strange non-existent, like the USSR, Czechoslovakia, Austria-Hungary, Saxony, Kurland, etc. — «Drevnyayagretsiya»), he had some theory that matter consists of indivisible particles — atoms, but the proof of this, scientists have found only after about 2350 years. Atom (indivisible) — can also be divided, it is found even after 50 years on the electrons and nuclei and the nucleus — protons and neutrons at. But they, as it turned out, not the smallest particles and, in turn, are composed of quarks. To date, physics believe that quarks — the limit of division of matter and anything less does not exist. We know of six types of quarks: the ceiling, strange, charmed, charming, genuine, bottom — and they are connected via gluons.

    The word «Collider» comes from the English collide — face. In the collider, two particles start flying towards each other and with the collision energy beams added. While in conventional accelerators, which are under construction and work for several decades (the first of their models on moderate size and power, appeared before the Second World War in the 30-s), puchek strikes on fixed targets and the energy of the collision is much smaller.

    «Hadronic» collider named because it is designed to disperse the hadrons. Hadrons — is a family of elementary particles, which include protons and neutrons, composed of the nucleus of all atoms, as well as a variety of mesons. An important feature of hadrons — that they are not truly elementary particles, and are composed of quarks, «glued» gluon.

    The big collider has been because of its size — is the largest physical experimental setup ever in the world, only the main accelerator ring stretches for more than 26 km.

    It is assumed that the velocity of dispersed tank will 0.9999999998 protons to the speed of light, and the number of collisions of particles originating in the accelerator every second, to 800 million total energy of colliding protons will be 14 TeV (14 teraelektro-volt, and the nuclei of lead — 5. 5 GeV for each pair of colliding nucleons. nucleons (from Lat. nucleus — nucleus) — the generic name for the protons and neutrons.

    There are different views on the creation of accelerator technology to date: some say that it came to its logical side, others that there is no limit to perfection — and the various surveys provided an overview of structures, which are 1000 times smaller, but higher productivity BUCK ‘ Yes. In the electronics or computer technology is constantly miniaturization, while the growth of efficiency.

    В Дубне дело. Академик Трубников – о том, зачем нужна фундаментальная наука | Наука | Общество

    Название этого подмосковного города стало символом выдающихся открытий в отечественной науке. Во времена СССР за работой физиков-ядерщиков следила вся страна, и даже школьник знал и мог (спасибо Алле Пугачёвой!) выговорить слово «синхрофазотрон». Именно в Дубне были впервые синтезированы 10 сверхтяжёлых элементов, включая самый последний на данный момент элемент таблицы Менделеева – оганесон, названный в честь нашего выдающегося физика Юрия Оганесяна.    

    Научный обозреватель «АиФ» съездил в знаменитый наукоград и спросил у директора Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) академика Григория Трубникова, каких открытий стоит ждать дальше, где они найдут применение и как нам остановить «утечку мозгов».

    Эксперимент, похожий на фокус

    – Григорий Владимирович, последний, 118-й, элемент был синтезирован ещё в начале «нулевых». Что дальше? Периодическая таблица закончилась?

    – Нет, конечно. По современным представлениям, в ней должно быть 170-175 элементов. Последний известный нам природный стабильный элемент – это уран, он имеет номер 82. Всё, что дальше, приходится создавать искусственно.

    Чтобы синтезировать новый элемент, учёные бомбардируют (облучают) большим количеством ядер мишень из очень тяжёлых элементов. Синтез последних 4-5 элементов шёл долго, лет 15. Основная причина в том, что крайне мала вероятность того, что элемент возникнет. Плотность вещества и в пучке, и в мишени должна быть очень высокой.

    Мишень для нас синтезируют американские партнёры: у них сейчас самый мощный в мире нейтронный реактор, он нарабатывает эту мишень минимум полгода. Это огромные затраты – на электроэнергию, на персонал, на само вещество. А пучок, которым бомбардируем, мы получаем на предприятии Росатома. И мишень, и пучок – это миллиграммы вещества. Дальше начинается эксперимент. На то, чтобы синтезировать, например, московий (115-й элемент), ушло 8 лет. Всё это время циклотроны работали, но за 8 лет мы получили всего 24 события. То есть три события в год! Это очень мало. Юрий Оганесян со своей командой задумался и понял, что нужно двигаться другим путём. Была построена лаборатория, оснащённая ускорителем с большей интенсивностью – чтобы не три события в год происходило, а три в день. Это циклотрон с уникальными параметрами. С конца 2020 г. он начал работу, а лаборатория получила название «Фабрика сверхтяжёлых элементов». Она позволит нам перейти к синтезу новых элементов – 119-го, 120-го, 121-го. Первые пристрелочные эксперименты начнём в конце этого года. 

    В поисках новых элементов: физики Ю. Оганесян и М. Иткис Фото: Из архива ОИЯИ.

    Есть второй момент. Чтобы синтезировать новые элементы, нужно изучить химические свойства тех, что были получены до них. А для этого надо продлить время их жизни. Сверхтяжёлый элемент живёт миллисекунды. Понятно, что ни о каком изучении свойств говорить тут не приходится. Фабрика сверхтяжёлых элементов позволит нам увеличить время их жизни. Она даст статистику почти на два порядка больше, чем у наших зарубежных коллег.

    – С точки зрения обывателя это выглядит, словно некий фокус. Новый элемент возникает на доли секунды и исчезает. Физики ждут этого события годами, потом пишут огромные научные труды, получают за это премии, а самого элемента нет – он давно исчез. Какая от всего этого польза, например, народному хозяйству?

    – Одно из прикладных применений – ядерные фильтры для очистки крови, лечение онкологических заболеваний с помощью радиофармпрепаратов. Это искусственно синтезированные изотопы, которых нет в природе. Сейчас такое лечение доступно в любом региональном центре. В опухоль в специальной капсуле помещается изотоп, и за счёт его распада и выделения радиоактивного излучения опухоль погибает.

    Но о прикладном применении многих технологий учёные в момент их возникновения даже не догадываются. Приведу пример: в конце 1970-х в Европейском центре ядерных исследований был ускоритель, для которого разработали специальное стекло, реагирующее на инфракрасное излучение. Оно было нужно для детектора частиц. Никто тогда не подозревал, что оно пригодится где-то ещё. А сейчас такие стёкла стоят на всех гаджетах, мы их называем тач-скринами. То есть эта технология, которую физики когда-то изобрели для своих нужд, ждала 20 лет, пока талантливый бизнесмен не придумал устройство, которое реагирует на тактильные касания пальцем – смартфон. И теперь такие устройства используют даже в начальной школе для обучения. 

    – Неужели элементы, возникающие на миллисекунды, тоже могут найти прикладное применение?

    – Через 15-20 лет наверняка. Как я сказал, о прикладном значении той или иной технологии поначалу невозможно догадаться. Кроме того, экономика зачастую к ней не готова – должно пройти время, чтобы возник спрос, появилась ниша.

    Например, на коллайдере NICA, который мы скоро запустим, стоят детекторы, которые могут давать временное разрешение с точностью до пикосекунды – это 10-12 секунды. Где они будут в дальнейшем применены, пока трудно сказать. Но можно предположить. Современная спутниковая навигация даёт возможность зондировать поверхность Земли с точностью до 5-10 см. В ней используется наносекундная электроника. А когда появятся детекторы, работающие в пикосекундном диапазоне, из космоса можно будет распознавать объекты с точностью до 1-3 мм. Нужно это или нет? Конечно, нужно! Самая простая и «приземлённая» задача – безопасность, борьба с терроризмом. На их основе можно будет сделать системы распознавания образов (например, лиц в метро), которые будут работать в 10 раз быстрее, чем нынешние.  

    Магнит для молодёжи

    – Учёные говорят, что упомянутый вами коллайдер NICA произведёт прорыв в «новую физику». Его даже называют «младшей сестрой» Большого адронного коллайдера. Что именно он даст?

    – В мире всего 6 коллайдеров. Вообще, коллайдер – это устройство, в котором сталкиваются частицы. Каждый из них – это огромная установка с циклом жизни от 30 до 50 лет. Большой адронный коллайдер был создан для того, чтобы сталкивать частицы и раскалывать их на минимальные компоненты материи – на данный момент это кварки. У нашей установки NICA другие задачи – не просто столкнуть и расколоть частицы, а приблизить их на минимальное расстояние, чтобы они какое-то время «поварились», «покипели» вместе. Мы хотим «сварить этакую кашу» из кварков и глюонов, это позволит нам изучить те процессы, которые претерпевала Вселенная в первые микросекунды после Большого взрыва. Это одна из фундаментальных загадок, безумно интересная – понять, как образовалась ядерная материя и почему она такая, какой мы её наблюдаем. NICA – это своеобразная «машина времени». Сталкивая плотные, тяжёлые ядра, мы возвращаемся на 14 млрд лет назад, когда возникла наша Вселенная. 

    Но это фундаментальная наука. А если говорить о прикладной, то NICA будет в первую очередь решать задачи для нужд медицины и радиобиологии. Это использование пучков ядер как для лечения онкологических заболеваний, так и для подготовки к длительным космическим экспедициям – скажем, на Марс. Ведь прежде чем отправить туда живой организм, нужно убедиться, что его мозговая деятельность не будет нарушена в течение этих 3-4 лет. Облучая биологические ткани и животных (мышей, приматов), учёные оценят, как может повлиять космическое излучение на высшую нервную деятельность, на поведение, на работу центров зрения, слуха, осязания. На днях у нас пройдёт первое совещание большой международной коллаборации, где ключевыми партнёрами являются учёные, работающие на международные космические программы, а также лучшие нейробиологи и радиоонкологи мира.

    Ещё одно применение пучков – материаловедение и исследование радиационной стойкости электронных компонентов. Для того, чтобы спутники связи и другие аппараты надёжно и устойчиво работали на орбите, их электроника должна быть защищена от космического излучения. Коллайдер NICA поможет защитить эти чипы. Наконец, есть такое направление исследований, как криогеника, работа со сжиженными газами. Мы на коллайдере используем гелий, азот, неон, водород при температурах, близких к абсолютному нулю. Технологии, которые «Газпром» сейчас применяет на Сахалине и Ямале для сжижения газа, были получены здесь, в Дубне. Сейчас этот сектор экономики: получение, хранение и транспортировка сжиженных газов, – активно развивается. Речь не только о природном газе, но, например, о водороде – он нужен для водородной энергетики. 

    – Одна из проблем российской науки – продолжающаяся «утечка мозгов». Проекты, подобные NICA, могут её решить?

    – Безусловно. Такой мегапроект – это магнит для талантов. Когда комплекс будет запущен (а в полную силу он заработает в 2023 г.), он привлечёт около 2 тыс. новых специалистов. Это огромная цифра. И все эти люди будут делать науку здесь, на территории Российской Федерации, хотя физически не обязательно все будут находиться в Дубне.

    На NICA поедут молодые учёные со всего мира. Но выгоду получит не только наука. В создании этого коллайдера активно задействована российская промышленность. Более 70% всего оборудования изготовлено в нашей стране, на предприятиях от Северодвинска до Урала и даже Владивостока. Этот проект не просто создаёт рабочие места – он вытаскивает промышленность на совершенно другой уровень технологий. Почему? Потому что те параметры, которые предъявляются к изготовленному оборудованию, опережают лет на 5-7 то, что сейчас может делать наша промышленность. Производя оборудование по нашим заказам, предприятия поднимают у себя уровень технологий. Это исключительно важная история для экономики страны. 

    – Вы сказали, что мишени для ваших экспериментов делают в США. Сложная политическая обстановка как-то отражается на научном сотрудничестве?

    – Мы этого не ощущаем: как сотрудничали, так и сотрудничаем. Более того, партнёрская сеть ОИЯИ растёт. В этом году к нашим проектам впервые присоединились американские университеты – до этого мы работали с их национальными лабораториями и научными институтами.

    Понятно, что у каждого государства есть своя политика, но в отношениях между учёными никакого похолодания не чувствуется. Более того, могу сказать, что политики заинтересованы в том, чтобы между учёными не было барьеров. Вот смотрите. Когда, например, встречаются два президента, у них есть некая повестка – список вопросов, которые надо обсудить. И едва ли её всегда можно назвать позитивной. Скорее всего, на 90% она состоит из вопросов, которые не имеют простого решения. Но в этой повестке обязательно будет несколько вопросов с позитивным исходом – это наука или культура. Умные политики всегда сохраняют их.

    – То есть наука помогает сглаживать углы, служит средством дипломатии?

    – Точно. Наука – это такой мостик в глобальной политике, с которого начинается любое потепление охлаждённых отношений. В этом её особая миссия.

    Что не расскажут про коллайдер NICA в новостях

    Физик-теоретик из ОИЯИ Олег Теряев объяснил 120 тысячам подписчикам научно-популярного блога Бориса Бояршинова “Со дна российской науки”, зачем нужен коллайдер NICA.

    Коллайдер строят в Объединенном институте ядерных исследований..

    Откуда у коллайдера взялось название NICA

    “Обычно стараются эксперименту или ускорителю подобрать такую аббревиатуру, чтобы, с одной стороны, отражать его суть, а с другой стороны, чтобы вместе образовалось какое-то хорошее слово, имя. NICA означает Nuclotron (буква N) based Ion (буква I) Collider (буква C, коллайдер по-русски – ускоритель на встречных пучках, когда сталкиваются частицы, а не ударяют по мишени), fAcility (буква А, потому что подходящего слова, начинающегося на букву А не нашлось).

    Почему энергия дубненского колаайдера NICA  ниже, чем у коллайдера в ЦЕРН, и это хорошо

    Коллайдер NICA базируется на энергиях частиц, которые достигаются ускорителем тяжелых ионов с именем собственным Нуклотрон. Нуклотрон – это первый в Европе сверхпроводящий ускоритель тяжелых ионов, который построили в Дубне, несмотря на тяжелейшие условия 90-х годов. Он может ускорять тяжелые ионы до энергий около 5 ГэВ на нуклон и сочетает в себе возможности ядерной физики и физики высоких энергий. Если ускоренные в Нуклотроне ядра сталкивать друг с другом, это соответствует их суммарной энергии примерно 10 ГэВ на нуклон. Энергия не такая большая, как в Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Но именно при такой энергии, как у Нуклотрона, достигается максимум плотности ядерного вещества. 

    То есть если энергия пучка частиц увеличивается, то вначале их плотность растет, растет и температура. И оказывается, что для того, чтобы наблюдать коллективное поведение частиц, не нужно иметь их много. Достаточно десятков, сотен. И когда при ускорении частиц достигается энергия около 10 ГэВ на нуклон, их плотность начинает падать. Поэтому Большой адронный коллайдер с его огромной энергией частиц не может изучать столь плотную ядерную материю, которая была при рождении Вселенной. А коллайдер NICA может. Это задачей он и займется.

    Чтобы узнать больше, смотрите видео до конца.

     

     

    Европейские учёные задумали построить гигантский коллайдер будущего / Актуально / Радиостанция «Радио России»

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

    Для сравнения: длина БАК 27 километров против 100 км у нового коллайдера, стоимость 12 миллиардов долларов против 24 миллиардов. Новичок уже получил название “Циклический коллайдер будущего”, но судя по замаху, вполне может называться и циклопический.

    Разъясняет заместитель директора Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ им. М.В. Ломоносова Виктор Иванович Саврин.

    Зачем нужен такой гигантский коллайдер?

    В. Саврин: Прежде всего, для того, чтобы как-то продвинуться в познании материи, окружающего нас мира и, конечно, Вселенной (её рождения, эволюции и т.д.). Большой адронный коллайдер внёс большой вклад в решении этих проблем. Бозон Хиггса – очень важное открытие, которое дало человечеству перспективу для дальнейшего понимания того, что происходит вокруг нас. А Циклический коллайдер будущего – это новый проект, гораздо мощнее и по энергии, и по интенсивности. Поэтому он открывает новые горизонты по изучению природы.

    Если устройство длиной 24 км позволяет какие-то опыты ставить, то, что позволит сделать коллайдер длиной в 100 км? Чем 24 км не устраивают физиков в отличие от 100 км?

    В. Саврин: Длина коллайдера определяет его энергию и энергию частиц, которые в нём разгоняются. Поэтому нужны более высокие энергии. Для чего они нужны? Повышение энергии даёт нам больше возможностей по изучению элементарных частиц и строения вещества, которое нас окружает. В частности, по получению и обнаружению новых частиц с высокими энергиями, с высокими массами. Потому что всё-таки Большой адронный коллайдер имеет некие ограничения, так что получить частицы с какими-то огромными массами там не удастся в любом случае. А такие частицы по тем представлениям, которые физики имеют, должны существовать, и их можно наблюдать. Но для этого нужен вот такой мощный коллайдер, такая большая машина.

    Стандартная модель физики не может объяснить множество фактов. Скажем, природу тёмной материи, тёмной энергии, на которую приходится 95 процентов массы Вселенной. Здесь нужна, как говорят физики, новая физика. Новый коллайдер поможет сделать какие-то конкретные открытия, человечество, наконец-то, узнает, что, кроме стандартной модели, существуют ещё какие-то, и вполне возможно, что будут вообще перевёрнуты физические представления о мире с помощью этого устройства?

    В. Саврин: Наверняка, так это и будет. Потому что Большой адронный коллайдер не смог вывести экспериментальную науку за пределы стандартной модели. То есть, пока, включая Большой адронный коллайдер и другие эксперименты, мы не получили ничего нового по сравнению с тем, что есть в стандартной модели. Те процессы, которые сейчас наблюдаются на существующих ускорителях, описываются стандартной моделью, и нет никаких отклонений от стандартной модели.

    Но физики уверены, что есть новая физика, которая лежит за пределами стандартной модели. Безусловно, этот новый коллайдер, если он будет построен и запущен, даст нам возможность эти явления объяснить и понять, где проходят ограничения в стандартной модели, что она может объяснить, а что не может.

    А не опасно ли человеку в эти игры играть? Влезать ещё глубже в выяснение какой-то истины? Это чем может аукнуться? Физики просчитали?

    В. Саврин: Конечно, просчитали. И ответ такой: это не грозит какими-то глобальными катастрофами. Перед запуском Большого адронного коллайдера велось широкое обсуждение и в СМИ, и среди людей разных профессий, что может произойти внезапно после запуска Большего адронного коллайдера. В связи с этим была создана международная независимая комиссия, которая подробно изучила все возможные процессы, которые могут проходить при столкновении протона в Большом адронном коллайдере, и объяснила, что ни в одном из этих процессов рождения каких-то катастрофических объектов быть в принципе не может. Этот доклад был опубликован, он успокоил публику. А физики никогда в этом не сомневались, что там ничего такого катастрофического произойти не может. Более того, Большой адронный коллайдер так же, как и будущий коллайдер, построены под землёй, а на поверхности над ними находятся города, деревни, живут люди уже многие века и даже тысячелетия, и среди швейцарских и французских жителей в месте, где расположен Большой адронный коллайдер, был проведён опрос, как они смотрят на это дело и нет ли у них возражений. Швейцарцы и французы – народ щепетильный в экологическом плане и в отношении всяких техногенных опасностей, тем не менее, жители, которые там проживают, согласились. А это тоже некое подтверждение того, что они поверили.

    Россия как-то будет участвовать в создании нового коллайдера?

    В. Саврин: Да, конечно. У нас есть для этого возможности, и уже идут обсуждения. Мы недавно получили от ЦЕРНа некий запрос, фактически там перечисление подсистем, которые необходимы для создания будущего коллайдера и которые могли бы быть изготовлены в России. Сейчас проходит обсуждение этих предложений. Мы в свою очередь готовим наши пожелания, что бы мы могли сделать и в каком виде. Это что касается создания самого ускорителя и детектора.

    Кроме того, идёт широкое обсуждение и формирование программы физических исследований, для чего это нужно и что это даст нового. Совсем недавно выпущен четырёхтомный доклад о концепции этого будущего ускорителя (коллайдера). И там всё это рассказано, в четырёх томах, какие новые физические проблемы можно изучать на этом новом Циклическом коллайдере будущего. А он не только адронный. Сначала он будет электрон-позитронным, где-то в 40-х годах, а потом в него уже запустят, в этом кольце, и протонный ускоритель. Так же было и с Большим адронным коллайдером.

    ­Европейские учёные задумали построить гигантский коллайдер будущего

    Программу “Актуально” ведёт Дмитрий Чернов.

    Учебное пособие по

    — Компоненты коллайдера — CRYENGINE V Manual

    Использование компонента коллайдера

    В этом уроке мы объясним компоненты коллайдера и как их использовать с компонентом сетки и компонентом твердого тела. Компоненты Collider обеспечивают простые формы столкновения для ваших сущностей. Также рекомендуется прочитать документацию Entity Components, чтобы понять или узнать, что делают определенные атрибуты.

    В этом учебном пособии будут использоваться компонент Mesh и компонент Rigidbody, поэтому, если вы не знаете, что они делают, сначала просмотрите учебные пособия Tutorial — Rigidbody Component и Tutorial — Mesh Component.Мы сосредоточимся на изменении коллизии вашей сущности и объясним, как создавать более сложные формы коллизии.

    Способ добавления компонентов Collider, описанный здесь, значительно снижает производительность. Просто убедитесь, что когда вы импортируете свой собственный меш через FBX Importer, вы отключаете всю Физическую физику материала на вкладке «Материал».

    Чтобы начать работу с компонентами коллайдера, нам нужно сначала добавить компонент твердого тела и компонент сетки. Итак, создайте объект и добавьте к нему эти два компонента, выберите любую геометрию, которую вы хотите иметь.В этом случае мы возьмем сетку цилиндра и будем работать в шаблоне Rolling Ball.

    Создайте Empty Entity , перейдите к его Properties , щелкните Add Component и добавьте к нему компонент Physics -> Rigidbody и компонент Geometry -> Mesh и выберите некоторую геометрию, щелкнув Кнопка Browse рядом с File в свойствах компонента Mesh и просмотр геометрии, которую вы хотите использовать. (В данном случае мы используем цилиндр, но это может быть любая геометрия, которую вы хотите использовать в своем проекте).

    Как вы, возможно, уже знаете из учебника по твердому телу, компонент сетки — это наша геометрия и столкновение одновременно. Вы можете включить функцию отладки, чтобы увидеть все коллайдеры на вашем уровне. Для этого нажмите кнопку отображения в верхнем левом углу окна просмотра в перспективе, это активирует контекстное меню, в котором вы можете настроить все атрибуты отображения для окна просмотра.Прокрутите вниз и установите флажок Show Physics Proxies  . Теперь вы должны увидеть все коллайдеры в вашей сцене:

    Как мы видим, наша сетка также является нашим коллайдером. Иногда у вас может не быть сетки или вы хотите иметь конкретный коллайдер. Здесь может помочь компонент Collider .

    Выберите свой объект и перейдите на панель Свойства и нажмите кнопку Добавить компонент  , чтобы добавить любой компонент Коллайдер , который вы хотите:

    Теперь вы можете видеть, что коллайдер объекта изменился на любой коллайдер вы выбрали, в данном случае мы выбрали Box Collider . Компонент Collider предоставляет несколько свойств, определяющих его физическое поведение. Вы можете изменить массу и тип поверхности объекта, а также зарегистрировать этот коллайдер для отправки событий в C++ или Schematyc, если произошло столкновение. Поэкспериментируйте с атрибутами и посмотрите, как ведет себя объект.

    У объекта может быть несколько коллайдеров, поэтому мы можем добавить к объекту еще один и изменить Преобразование атрибута компонента Коллайдер, чтобы вращать его или перемещать. Положение компонента относительно начала координат:

    Как вы можете видеть на картинке выше, мы добавили новый цилиндрический компонент и скорректировали преобразование, радиус и высоту коллайдера, чтобы создать более сложную форму.Вы можете добавить столько коллайдеров, сколько захотите, и создать любую форму, которая вам нужна. Если теперь вы перейдете в игровой режим и отключите помощник физических прокси, вы увидите, что ваш меш не изменился, но произошло столкновение.

    Смещение коллайдера подрывает наше понимание риска и тяжести заболевания COVID-19

    Почему наблюдательные исследования COVID-19 особенно подвержены смещению коллайдера

    Несмотря на бесспорную ценность, наборы данных наблюдений могут быть чем-то вроде черного ящика, потому что ассоциации, оцененные в них, могут быть обусловлено множеством различных механизмов.Рассмотрим сценарий, в котором мы хотим оценить причинно-следственный эффект фактора риска, который можно обобщить на более широкую группу населения, такую ​​как Великобритания («целевая группа населения»). Поскольку мы редко наблюдаем полную целевую популяцию, мы должны оценить этот эффект в рамках выборки лиц, отобранных из этой популяции. Если выборка представляет собой действительно случайную выборку из генеральной совокупности, то мы говорим, что она репрезентативна. Однако часто выборки выбираются из соображений удобства или потому, что фактор риска или результат измеряется только в определенных группах (например,грамм. Статус заболевания COVID-19 наблюдается только у лиц, прошедших тест). Кроме того, лица, приглашенные для участия в выборке, могут отказаться или впоследствии выйти из нее. Если характеристики, связанные с включением в выборку, также относятся к фактору риска и интересующему результату, то это вводит возможность систематической ошибки коллайдера в нашем анализе.

    Смещение коллайдера возникает не только в точке отбора проб. Его также можно ввести с помощью выбора статистического моделирования. Например, уместно ли корректировать ковариаты в ассоциациях наблюдений, зависит от того, где ковариаты расположены на причинно-следственной связи, и от их роли в процессе генерирования данных 18,19,20,21 .Если мы предполагаем, что данная ковариата влияет как на предполагаемый фактор риска, так и на результат (вмешивающийся фактор), уместно обусловить эту коварианту, чтобы устранить систематическую ошибку, вызванную смешанной структурой. Однако, если ковариата является следствием одного или обоих воздействий и результата (коллайдер), а не общей причиной (вмешатель), то обусловленность ковариатой может вызвать, а не уменьшить, систематическую ошибку 22,23, 24 . То есть смещение коллайдера также может быть введено при статистической корректировке переменных, лежащих на причинно-следственной связи между фактором риска и исходом.Трудно сделать вывод об априорном знании лежащей в основе причинно-следственной структуры переменных и о том, функционируют ли они как общая причина или общее следствие фактора риска и результата в процессе генерирования данных. Следовательно, уместно относиться к смещению коллайдера с таким же уровнем осторожности, как к смещению смешения. Мы рассмотрим способы сделать это позже в этой статье («Методы обнаружения и минимизации эффектов смещения коллайдера»).

    Существует несколько способов сбора данных о COVID-19, которые могут привести к непреднамеренному кондиционированию в выбранном образце.Характеристики набранных участников связаны с рядом факторов, включая политические решения, ограничения затрат, технологический доступ и методы тестирования. Также широко признано, что истинная распространенность заболевания среди населения остается неизвестной 25 . Здесь мы описываем формы сбора данных для COVID-19, прежде чем подробно описать обстоятельства, связанные с COVID-19, которые делают его анализ восприимчивым к систематической ошибке коллайдера.

    Стратегии отбора проб на COVID-19 и определения «случай/контроль»

    Отбор проб при условии добровольного участия (определение случая: вероятный COVID-19, определение контроля: добровольный участник, не сообщающий о симптомах COVID-19 , рис.2а): Вероятный статус COVID-19 можно определить с помощью исследований, требующих добровольного участия. Они могут включать, например, опросы, проводимые существующими когортными и лонгитюдными исследованиями 26,27 , привязку данных к административным записям, доступным в некоторых когортных исследованиях, таких как UK Biobank 28 , или программы приложений для мобильных телефонов 29 , 30 . Было показано, что участие в научных исследованиях носит строго неслучайный характер (например, участники с непропорционально высокой вероятностью будут высокообразованными, заботящимися о своем здоровье и некурящими), поэтому добровольцы в этих выборках, вероятно, существенно отличаются от целевой группы 31 ,32,33 . См. вставку 2 и рис. 3, где показано, как в одном исследовании 30 изучалось смещение коллайдера в этом контексте.

    Рис. 3: Квантильный график значений −log10 p для факторов, влияющих на тестирование на COVID-19 в британском биобанке.

    Ось x представляет ожидаемое значение p для 2556 проверок гипотез, а ось y представляет наблюдаемые p-значения. Красная линия представляет ожидаемую взаимосвязь при нулевой гипотезе об отсутствии взаимосвязей.

    Вставка 2 Потенциальная связь между ингибиторами АПФ и COVID-19: почему систематическая ошибка выборки имеет значение

    Один исследовательский вопрос, который привлек внимание, заключается в том, могут ли препараты, снижающие артериальное давление, такие как ингибиторы АПФ (ACE-i) и блокаторы ангиотензиновых рецепторов (БРА), которые действуют на систему ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС), делают пациентов более восприимчивыми к инфекции COVID-19 83,84,85,86,87 .

    Взаимосвязь между ингибиторами АПФ/БРА и COVID-19 должна быть изучена в клинических исследованиях 88,89 , но в то же время была быстро изучена в обсервационных исследованиях 90,91,92 .В одном из таких недавних анализов использовались данные британского приложения для отслеживания симптомов COVID-19 93 , которое было выпущено в марте, как раз перед тем, как в Великобритании была введена политика блокировки для усиления социального дистанцирования. Приложение позволяет представителям общественности вносить свой вклад в исследования посредством самоотчетных данных, включая демографические данные, состояния, лекарства, симптомы и результаты тестов на COVID-19. Исследователи заметили, что люди, сообщающие об употреблении ACE-i, в два раза чаще сообщали о заражении COVID-19 на основании симптомов, даже после поправки на различия в возрасте, ИМТ, поле, диабете и сердечных заболеваниях 30 .Эта связь была ослаблена из-за отношения шансов, превышающего четыре, из-за более раннего замораживания данных, которые включали меньшую (и, вероятно, более отобранную) выборку. При оценке ассоциации только среди лиц, протестированных на инфекцию COVID-19, направление эффекта изменилось на противоположное, и использование ACE-i оказалось умеренно защитным. Самое простое объяснение такой изменчивости в оценках состоит в том, что выборка различалась по подмножествам выборки.

    Исследователи тщательно изучили роль смещения коллайдера, выполнив анализ чувствительности поиска по параметрам (см. ниже), и обнаружили, что неслучайной выборки было достаточно для объяснения связи.Если прием ACE-i и наличие симптомов COVID-19 приведет к меньшей или большей вероятности регистрации в приложении или предоставления данных, это может вызвать связь между этими факторами (рис. 2a). Поскольку иАПФ назначают людям с диабетом, сердечными заболеваниями или гипертонией, пользователи иАПФ, вероятно, относятся к группе высокого риска заражения COVID-19 94 . Поэтому они потенциально более восприимчивы к своему текущему состоянию здоровья и могут с большей вероятностью использовать приложение 95,96 . Люди с симптомами COVID-19 также могут с большей вероятностью помнить о предоставлении данных, чем люди без симптомов.В совокупности это может привести к ложной или преувеличенной связи между приемом ACE-i и COVID-19. Однако на самом деле сложно решить, в каком направлении симптомы ACE-i и COVID-19 будут влиять на участие. Например, госпитализированные люди с тяжелыми симптомами COVID-19 могут быть слишком больны, чтобы предоставлять данные.

    Требуется тщательное рассмотрение каждого набора изучаемых воздействий и исходов. Среди тех участников, которые действительно были протестированы в исследовании приложения для отслеживания симптомов COVID-19, не было доказательств связи между использованием ACE-i и положительным статусом COVID-19 30 .В этом анализе есть совместное давление отбора факторов, лежащих в основе а) тестирования и б) участия приложения.

    Если использование ACE-i действительно увеличивает риск заражения COVID-19, это может означать, что на результаты наблюдений за прогрессированием заболевания влияет систематическая ошибка коллайдера. Например, сообщалось, что применение иАПФ/БРА может защитить от тяжелых симптомов при условии уже инфицированного 97,98 , что согласуется со смещением событий индекса, как показано на рис.2в.

    Важно учитывать правдоподобие различных путей отбора как статистически (например, с помощью таких методов, как границы и поиск по параметрам), так и биологически. Такие соображения гарантируют, что интерпретация данных будет, по крайней мере, устойчивой к известным систематическим ошибкам неизвестной величины, и что политические решения будут основаны на наилучшей интерпретации научных данных. Действительно, принимая во внимание пользу, которую иАПФ/БРА оказывают на сердечно-дыхательную систему, текущие руководства продолжают рекомендовать использование этих препаратов до тех пор, пока не будут получены достаточно надежные научные доказательства против этого 99,100 .

    Отбор проб при условии прохождения теста на активную инфекцию COVID-19 (Определение случая: положительный результат теста на COVID-19, определение контроля: отрицательный результат теста на COVID-19 , рис.  2b): ПЦР-тесты на антигены используются для подтверждения подозреваемого (в настоящее время активная) инфекция COVID-19. Поэтому исследования, направленные на определение факторов риска для подтвержденной текущей инфекции COVID-19, полагаются на участников, прошедших тест на антиген COVID-19 (далее для простоты: тест на COVID-19 или тест). Если не будет протестирована случайная выборка или все население, эти исследования могут дать необъективную оценку распространенности активной инфекции COVID-19 среди населения в целом.Ресурсы для тестирования ограничены, поэтому разные страны используют разные (прагматические) стратегии определения приоритетности тестирования, в том числе на основе таких характеристик, как род занятий, проявление симптомов и предполагаемый риск. См. вставку 3, чтобы узнать, является ли тестирование неслучайным в отношении ряда измеримых потенциальных факторов риска, с использованием недавно опубликованных данных тестирования на COVID-19 в UK-Biobank.

    Вставка 3 Факторы, влияющие на прохождение тестирования в Британском биобанке

    В апреле 2020 года Управление общей практики Великобритании опубликовало данные первичной медико-санитарной помощи по тестированию на COVID-19 для связи с участниками проекта Британского биобанка 101 102 , и результаты анализов уже получены. появляется 103 .Из 486 967 участников 1410 в настоящее время имеют данные о тестировании на COVID-19. Хотя может показаться заманчивым искать факторы, влияющие на то, будет ли у человека положительный результат теста, крайне важно оценить вероятность того, что тестируемые не являются случайной выборкой участников UK-Biobank (которые сами не являются случайной выборкой населения Великобритании). ).

    Мы изучили 2556 различных характеристик на предмет связи с тем, был ли участник Британского биобанка протестирован на COVID-19. Было очень большое обогащение ассоциаций (рис.3), при этом 811 фенотипов (32%) приводят к частоте ложных открытий < 0,05. Эти ассоциации включали широкий спектр признаков, включая показатели слабости, используемые лекарства, основные генетические компоненты, загрязнение воздуха, социально-экономический статус, гипертонию и другие сердечно-сосудистые признаки, антропометрические показатели, психологические показатели, поведенческие черты и показатели питания. Полный список всех оцениваемых признаков и их связи с наличием у участника данных теста на COVID-19 доступен в файле исходных данных.Первый основной генетический компонент, который относится к глобальным группам предков, был одной из самых сильных ассоциаций с прохождением тестирования, что может иметь значение для интерпретации этнических различий в результатах тестов на COVID-19 103 .

    Мы не можем знать фактическую распространенность COVID-19 среди всех участников, но если она отличается от распространенности среди протестированных, то каждый из перечисленных выше признаков может быть связан с COVID-19 в наборе данных исключительно из-за смещения коллайдера , или, по крайней мере, величина этих ассоциаций может быть необъективной в результате.Тот факт, что данные Британского биобанка уже представляют собой неслучайную выборку населения Великобритании, еще больше усложняет дело 16 .

    В идеале, чтобы свести к минимуму любое такое смещение, должны быть выполнены взвешенные регрессии обратной вероятности, как показано в дополнительном примечании. Однако, поскольку мы не можем знать, были ли у участников, не входящих в тестируемую группу, COVID-19 (то есть «фракции выборки»), такие веса не могут быть рассчитаны без сильных предположений, которые в настоящее время не поддаются проверке 59 .Обратное взвешивание вероятностей также зависит от правильности определения модели выбора, в том числе от того, включены ли все характеристики, предсказывающие выбор (связанные с переменными в модели анализа), и в правильной функциональной форме. Как и в случае неизмеренного смешения, всегда существует возможность наличия неизмеренных факторов отбора.

    Отбор проб при условии наличия положительного теста на активную инфекцию COVID-19 (Определение случая: тяжелые симптомы COVID-19, определение контроля: положительный тест на COVID-19 с легкими симптомами , рис.2b): Таким образом, исследования, направленные на определение факторов риска тяжести подтвержденной текущей инфекции COVID-19, полагаются на то, что участники прошли тест на COVID-19 и что результат теста был положительным. Как указано выше, тестирование вряд ли будет случайным, и обусловленность положительным результатом также будет означать, что предвзятость может быть вызвана всеми факторами, вызывающими инфекцию, а также факторами, вызывающими повышенную вероятность тестирования.

    Выборка при условии госпитализации (Определение случая: госпитализированные пациенты с инфекцией COVID-19, определение контроля: госпитализированные пациенты без инфекции COVID-19) : Важным источником сбора данных являются существующие пациенты или больничные записи.Появилось несколько исследований, в которых делается вывод о причинно-следственной связи на основе таких отобранных образцов 8,9,45 . Инфекция COVID-19 влияет на госпитализацию, как и большое количество других заболеваний. При анализе только госпитализированных образцов все, что влияет на госпитализацию, будет отрицательно связано с инфекцией COVID-19 (в крайнем случае отсутствия взаимодействий).

    Отбор проб при условии госпитализации и положительного теста на активную инфекцию COVID-19 (Определение случая: смерть от COVID-19, определение контроля: госпитализация, связанная с COVID-19, без летального исхода , рис. 2c): Многие исследования начали анализировать влияние на прогрессирование заболевания после инфицирования или инфицирования, а затем госпитализации (то есть факторов, влияющих на выживаемость). Такие наборы данных обязательно зависят от положительного теста. На рисунке 2c показано, как это так называемое «смещение события индекса» является частным случаем смещения коллайдера 16 104 105 . Если принять, что COVID-19 увеличивает смертность, и существуют факторы риска заражения COVID-19, то в репрезентативной выборке целевой популяции любая причина заражения будет также оказывать причинно-следственное влияние на смертность, опосредованную инфекцией.Однако, как только мы обуславливаем инфицирование, все факторы инфекции коррелируют друг с другом. Если некоторые из этих факторов влияют как на инфекцию, так и на прогрессирование, то связь между фактором инфекции и смертью в выбранной выборке будет необъективной. Это может привести к тому, что факторы, повышающие риск инфекции, будут ложно восприниматься как защищающие от тяжелого прогрессирования 1,106 . Пример этого, относящегося к COVID-19, обсуждается во вставке 2.

    Давление при отборе выборки для исследований COVID-19

    Мы можем разделить описанные выше стратегии выборки на три основные основы выборки.Первая из этих рамок представляет собой выборку, основанную на добровольном участии, которое по своей сути неслучайно из-за факторов, влияющих на участие. Второй из них — выборочные кадры по результатам тестирования на COVID-19. За несколькими заметными исключениями (например, ссылки 3,34 ), тестирование населения на COVID-19 обычно не проводится в случайных выборках. Третий из этих фреймов представляет собой выборку на основе госпитализированных пациентов с COVID-19 или без него. Это опять-таки обязательно неслучайно, поскольку зависит от госпитализации.

    Вставка 3 и рис. 3 иллюстрируют множество факторов, которые могут оказывать давление при отборе проб. Хотя некоторые из факторов, влияющих на процессы выборки, могут быть общими для всех перечисленных выше способов выборки, некоторые из них зависят от конкретного режима. Эти факторы, вероятно, будут различаться по тому, как они действуют в контексте страны и системы здравоохранения. Здесь мы перечисляем ряд возможных факторов давления отбора и то, как они влияют на различные основы выборки COVID-19. Мы также описываем идентификацию/определение случая и подробно описываем, как они могут повлиять на выводы, если их не исследовать.

    Серьезность симптома : Это предположительно приведет к смещению всех трех основных рамок выборки, хотя это проще всего понять в контексте тестирования. Несколько стран приняли стратегию предоставления тестов преимущественно пациентам с достаточно серьезными симптомами, требующими медицинской помощи, т.е. госпитализации, как это было в Великобритании до конца апреля 2020 года. Таким образом, многие истинно положительные случаи в популяции останутся невыявленными и с меньшей вероятностью составят часть выборки, если зачисление будет зависеть от статуса теста.Высокая частота бессимптомных носителей вируса или случаев с атипичными проявлениями еще больше усугубит эту проблему.

    Распознавание симптомов : Это также приведет к смещению всех трех рамок выборки, поскольку вход во все выборки зависит от распознавания симптомов. Тестирование на COVID-19 связано с тяжестью симптомов, но отличается от них, в зависимости от распознавания симптомов 35 . Если человек не может распознать правильные симптомы или считает свои симптомы несерьезными, ему могут просто дать указание самоизолироваться и не проходить тест на COVID-19.Люди по-разному оценивают тяжесть своих симптомов; люди с тревогой, связанной со здоровьем, могут с большей вероятностью завышать симптомы, в то время как те, у кого меньше информации о пандемии или доступе к медицинским консультациям, могут быть недостаточно представлены. Функционально это будет действовать как дифференциальная частота ложноотрицательных результатов среди людей на основе распознавания симптомов, что может иметь значение для получения высоких оценок бессимптомных случаев и передачи 36 . Изменение руководств по симптомам, вероятно, усугубит эту проблему, что может вызвать систематическую взаимосвязь между проявлением симптомов и тестированием 35,37 . Здесь группы с более низкой осведомленностью (например, из-за неадекватного обмена сообщениями или языкового барьера) могут иметь более высокие пороги для прохождения тестирования, и поэтому те, у кого положительный результат теста, будут иметь больший риск тяжелых последствий COVID-19.

    Род занятий : Воздействие COVID-19 зависит от рода занятий. Во многих странах передовые медицинские работники гораздо чаще проходят тестирование на COVID-19, чем население в целом 5,38 из-за их близости к вирусу и потенциальных последствий передачи инфекции, связанной с инфекцией 39 .Таким образом, они будут чрезмерно представлены в выборках, зависящих от статуса тестирования. Другие ключевые работники могут подвергаться высокому риску заражения из-за большого количества контактов по сравнению с неключевыми работниками и, следовательно, могут быть чрезмерно представлены в выборках, зависящих от положительного статуса теста или смерти, связанной с COVID. Таким образом, любые факторы, связанные с этими занятиями (например, этническая принадлежность, социально-экономическое положение, возраст и исходное состояние здоровья), также будут связаны с отбором выборки. На рисунке 2b показан пример, в котором предполагаемый фактор риска (курение) не обязательно должен причинно влиять на выборку выборки (госпитализированные пациенты), он может быть просто связан из-за смешения фактора риска и выборки выборки (будучи медицинским работником).

    Этническая принадлежность : Этнические меньшинства также чаще заражаются COVID-19 40 . Неблагоприятные исходы COVID-19 значительно хуже для лиц, принадлежащих к некоторым этническим меньшинствам 41 . Это может привести к смещению оценочных ассоциаций в рамках выборки, основанной на госпитализированных пациентах, поскольку во многих странах группы этнических меньшинств чрезмерно представлены, поскольку этническое неравенство в отношении здоровья широко распространено и хорошо задокументировано. Кроме того, группы этнических меньшинств, скорее всего, будут ключевыми работниками, которые с большей вероятностью будут подвержены риску заражения COVID-19 42 .Культурная среда (включая системный расизм) и языковые барьеры могут негативно повлиять на поступление на обучение, как на основе тестирования, так и добровольного участия 43 . Группы этнических меньшинств может быть труднее вовлечь в исследования, даже в пределах данной территории 44 , и это может повлиять на репрезентативность выборки. Этнические меньшинства с меньшей вероятностью сообщали о тестировании в нашем анализе данных Британского биобанка, где одним из самых сильных факторов, связанных с тестированием, был первый основной генетический компонент, который является маркером происхождения (вставка 3).Таким образом, это может выглядеть так, как указано выше, при этом обращение этнических меньшинств за медицинской помощью будет зависеть от более тяжелых симптомов.

    Слабость : Определяемая здесь как повышенная восприимчивость к неблагоприятным исходам COVID-19, слабость с большей вероятностью присутствует у определенных групп населения, таких как пожилые люди, находящиеся в учреждениях длительного ухода или престарелых, лица с пред- существующие медицинские условия, группы, страдающие ожирением, и курильщики. Эти факторы, вероятно, сильно предсказывают госпитализацию. В то же время инфекция COVID-19 и ее тяжесть, вероятно, влияют на госпитализацию 8,9,10,45 , а это означает, что исследование этих факторов у госпитализированных пациентов может вызвать систематическую ошибку коллайдера. Кроме того, к группам могут относиться по-разному с точки зрения отчетности о COVID-19 в разных странах 46 . Например, в Великобритании ранние сообщения о смертях «из-за COVID-19» могли быть объединены со смертями «при заражении COVID-19» 47 . Лица с высоким риском чаще проходят тестирование в целом, но конкретные демографические группы с высоким риском, такие как лица, находящиеся в учреждениях длительного ухода или престарелых, с меньшей вероятностью попадали в выборку во многих исследованиях 46 .Слабость также предсказывает госпитализацию по-разному в разных группах, например, пожилой человек с очень тяжелыми симптомами COVID-19 в доме престарелых не может быть доставлен в больницу, где более молодой человек мог бы 48 .

    Место жительства и социальные связи : Вероятно, существует ряд более отдаленных или косвенных факторов, влияющих на выборку выборки. Люди с лучшим доступом к медицинским услугам могут с большей вероятностью пройти тестирование, чем люди с меньшим доступом.Тем, кто живет в районах с большим количеством медицинских услуг или лучшим общественным транспортом, может быть легче получить доступ к услугам для тестирования, в то время как те, кто живет в районах с меньшим доступом к медицинским услугам, могут с большей вероятностью пройти тестирование 49 . Люди, живущие в районах с более сильными пространственными или социальными связями с существующими вспышками, также могут с большей вероятностью пройти тестирование из-за повышенной медицинской бдительности в этих районах. Сети поддержки семьи и сообщества также могут влиять на доступ к медицинскому обслуживанию, например, те, у кого есть обязанности по уходу и слабые сети поддержки, могут иметь меньше возможностей обратиться за медицинской помощью 50 . Связанность, вероятно, с наибольшей вероятностью приведет к систематической ошибке при тестировании основ выборки, поскольку тестирование зависит от осведомленности и доступа. Однако он также может смещать все три основные рамки выборки с помощью механизма, аналогичного распознаванию симптомов.

    Доступ в Интернет и технологическое взаимодействие : Это в первую очередь приведет к предвзятости добровольного набора через приложения, хотя также может быть связано с повышением осведомленности и тестированием предвзятости через путь распознавания симптомов. Известно, что выборочный набор через интернет-приложения недостаточно репрезентативен для определенных групп 32,51 .Кроме того, это зависит от структуры выборки, когда было показано, что добровольные или «втягивающие» методы сбора данных дают более активные, но менее репрезентативные выборки, чем основанные на рекламе или «выталкивающие» методы 33 . Эти более заинтересованные группы, вероятно, имеют более широкий доступ к электронным методам сбора данных и более широкое участие в кампаниях в социальных сетях, предназначенных для набора участников. Таким образом, молодые люди с большей вероятностью будут чрезмерно представлены в исследованиях добровольного участия на основе приложений 29 .

    Медицинский и научный интерес : Исследования, включающие добровольные выборки, могут быть необъективными, поскольку они, вероятно, включают непропорционально большое количество людей, проявляющих сильный медицинский или научный интерес. Вполне вероятно, что эти люди сами будут лучше осведомлены о своем здоровье, вести себя более здорово, будут более образованными и будут иметь более высокие доходы 31,52 .

    Многие из факторов, подлежащих тестированию или включению в наборы данных, описанные здесь, подтверждаются анализом данных испытаний Биобанка Великобритании (вставка 3).Ключевой вывод заключается в том, что когда набор выборки не случаен, существует невероятно широкий спектр способов, которыми эта неслучайность может подорвать результаты исследования.

    Методы обнаружения и минимизации эффектов смещения коллайдера

    В этом разделе мы описываем методы либо устранения смещения коллайдера, либо оценки чувствительности результатов к смещению коллайдера. Как и в случае со смешанным смещением, обычно невозможно доказать, что какой-либо из методов преодолел смещение коллайдера. Таким образом, анализ чувствительности имеет решающее значение для проверки устойчивости выводов к правдоподобным механизмам отбора 18,19 .

    Простой описательный метод оценки вероятности и степени смещения коллайдера, вызванного выборкой, заключается в сравнении средних значений, дисперсий и распределений переменных в выборке с теми, что в целевой совокупности (или репрезентативной выборке целевой совокупности) 16 . Это дает информацию о профиле лиц, отобранных в выборку из интересующей целевой группы населения, например, о том, имеют ли они тенденцию быть старше или с большей вероятностью иметь сопутствующие заболевания.Особенно важно сообщать об этих сравнениях ключевых переменных анализа, таких как предполагаемый фактор риска и результат, а также других переменных, связанных с ними. Что касается анализа риска заболевания COVID-19, то одним из основных препятствий для этого является то, что в большинстве случаев фактическая распространенность инфекции среди населения в целом неизвестна. Хотя обнадеживает, что оценки выборки совпадают с их эквивалентами на уровне населения, важно признать, что это не доказывает окончательно отсутствие систематической ошибки коллайдера 53 .Это связано с тем, что факторы, влияющие на выбор, могут быть не измерены в исследовании или факторы взаимодействуют, влияя на выбор, и остаются незамеченными при сравнении предельных распределений.

    Применимость каждого метода в решающей степени зависит от имеющихся данных о неучастниках. Эти методы в целом можно разделить на две категории на основе имеющихся данных: вложенные и невложенные выборки. Вложенная выборка относится к ситуации, когда ключевые переменные измеряются только в пределах подмножества репрезентативной «супервыборки», что вынуждает ограничивать анализ этой подвыборкой.Примером, близким к этому определению, является подвыборка лиц, прошедших тест на COVID-19, вложенная в когорту Британского Биобанка (хотя ясно, что сама когорта Британского Биобанка является неслучайной выборкой 16 ). Для вложенных выборок исследователи могут воспользоваться данными, доступными в репрезентативной супервыборке. Невложенная выборка относится к ситуации, когда данные доступны только в нерепрезентативной выборке. Примером этого являются выборки госпитализированных лиц, в которых отсутствуют данные о негоспитализированных лицах.Как правило, более сложно устранить смещение коллайдера в невложенных выборках. Управляемый анализ, иллюстрирующий оба типа анализа чувствительности с использованием данных британского Биобанка по тестированию на COVID-19, представлен в дополнительном примечании 1. 54,55 . Причинное влияние фактора риска на результат оценивается с использованием взвешенной регрессии, так что участники, которые чрезмерно представлены в подвыборке, получают заниженный вес, а недопредставленные участники получают положительный вес.На практике мы строим эти веса, оценивая вероятность того, что разные люди будут отобраны в выборку из репрезентативной супервыборки на основе их измеренных ковариат 56 . Например, мы могли бы использовать данные из полной выборки Биобанка Великобритании, чтобы оценить вероятность того, что люди пройдут тест на COVID-19, и использовать эти веса в анализах, которые должны быть ограничены подвыборкой протестированных лиц (например, для выявления факторов риска). для положительного результата теста).Симэн и Уайт предоставляют подробный обзор практических соображений и допущений для обратного взвешивания вероятностей, таких как правильная спецификация «модели отбора выборки» (статистическая модель взаимосвязи между измеренными ковариатами и отбором в выборку, используемая для построения этих весов). ), выбор переменных и подходы к работе с нестабильными весами (то есть весами, которые равны нулю или близки к нулю).

    Дополнительным допущением для обратного взвешивания вероятности является то, что каждый индивидуум в целевой совокупности должен иметь ненулевую вероятность быть включенным в выборку.Ни это допущение, ни допущение о том, что модель отбора была задана правильно, невозможно проверить, используя только данные наблюдений. Концептуально связанный подход, использующий сопоставление показателей склонности, иногда используется, чтобы избежать смещения событий индекса 57,58 . Также существуют анализы чувствительности к неправильному определению весовых коэффициентов вероятности. Например, Чжао и др. разработать анализ чувствительности для степени, в которой оценочные веса вероятности отличаются от истинных ненаблюдаемых весов 59 .Этот подход особенно полезен, когда мы можем оценить веса вероятности, включая некоторые, но не обязательно все, соответствующие предикторы включения выборки. Например, мы могли бы оценить веса для вероятности прохождения теста на COVID-19 среди участников британского биобанка, однако нам не хватает ключевых предикторов, таких как проявление симптомов и показатели поведения при обращении за медицинской помощью.

    Невложенные выборки : Когда у нас есть данные только об исследуемой выборке (например, только данные об участниках, прошедших тестирование на COVID-19), невозможно напрямую оценить модель отбора, поскольку не отобранные (непроверенные) лица остаются незамеченными. Вместо этого важно применить анализ чувствительности, чтобы оценить правдоподобие того, что выборка выборки вызывает систематическую ошибку коллайдера.

    Поиск границ и параметров : Можно сделать вывод о степени смещения коллайдера, зная о вероятном размере и направлении влияния фактора риска и исхода на выборку (независимо от того, являются ли они прямыми или через другие факторы) 19 ,60,61 . Однако этот подход зависит от правильности размера и направления и отсутствия других факторов, влияющих на выбор.Поэтому важно изучить различные возможные механизмы отбора образцов и изучить их влияние на выводы исследования. Мы создали простое веб-приложение, руководствуясь этими предположениями, чтобы позволить исследователям исследовать простые закономерности выбора, которые потребуются для создания ассоциации наблюдения: http://apps.mrcieu.ac.uk/ascrtain/. На рис. 4 мы используем недавний отчет о защитной связи курения с инфекцией COVID-19 45 , чтобы исследовать величину систематической ошибки коллайдера, которая может быть вызвана выборочной выборкой, при нулевой гипотезе об отсутствии причинно-следственной связи.

    Рис. 4: Пример больших ассоциаций, вызванных смещением коллайдера при нулевой гипотезе об отсутствии причинно-следственной связи, с использованием сценариев, аналогичных описанным для наблюдаемой защитной связи курения при заражении COVID-19.

    Предположим простой сценарий, в котором предполагаемое воздействие (A) и результат (Y) являются бинарными, и каждый из них влияет на вероятность быть выбранным в выборку (S), например. \(P(S = 1|A,Y) = \beta _0 + \beta _A + \beta _Y + \beta _{AY}\), где \(\beta _0\) – базовая вероятность быть выбранным, \ (\beta _A\) — это эффект A, \(\beta _Y\) — это эффект Y и \(\beta _{AY}\) — это эффект взаимодействия между A и Y.Рассматриваемый механизм отбора представлен на рис. 1b (без нарисованного члена взаимодействия). На этом графике показано, какие комбинации этих параметров потребуются, чтобы вызвать очевидный эффект риска с величиной ОШ > 2 (синяя область) или очевидный защитный эффект с величиной ОШ < 0,5 (красная область) при нулевой гипотезе об отсутствии причинного эффекта 61 . Чтобы создать упрощенный сценарий, аналогичный описанному в Miyara et al. мы используем общую распространенность курения среди населения, равную 0.27 и выборочной распространенности 0,05, таким образом фиксируя \(\бета _A\) на уровне 0,22. Поскольку распространенность COVID-19 среди населения в целом неизвестна, мы допускаем, что выборка является чрезмерно или недостаточно репрезентативной (ось у ). Мы также допускаем скромные эффекты взаимодействия. При расчете этого пространства параметров 40% всех возможных комбинаций приводят к искусственной двукратной защитной или рисковой ассоциации, действующей только на основе этой простой модели систематической ошибки. Важно раскрывать этот уровень неопределенности при публикации оценок наблюдений.

    Несколько других подходов также были реализованы в виде удобных онлайновых веб-приложений («Приложение»). Например, Смит и Вандервиле предложили анализ чувствительности, который позволяет исследователям ограничить свои оценки, указав параметры чувствительности, отражающие силу выборки (с точки зрения относительных рисков). Они также обеспечивают «значение E », которое представляет собой наименьшую величину этих параметров, объясняющую наблюдаемую связь 62 .Аронов и Ли предложили анализ чувствительности для средних значений выборки, основанный на обратном взвешивании вероятностей в невложенных выборках, где веса не могут быть оценены, но предполагается, что они ограничены двумя заданными исследователем значениями 63 . Эта работа была обобщена на регрессионные модели, что также позволило включить соответствующую внешнюю информацию об целевом населении (например, сводные статистические данные переписи) 64 . Эти подходы к анализу чувствительности позволяют исследователям исследовать, существуют ли заслуживающие доверия структуры коллайдера, которые могли бы объяснить наблюдаемые ассоциации.Однако они не представляют собой исчерпывающий набор моделей, которые могут привести к систематической ошибке, и не обязательно доказывают, влияет ли систематическая ошибка коллайдера на результаты. Если фактор риска для отбора сам по себе является результатом дальнейших предшествующих причин, то важно учитывать воздействие этих предшествующих эффектов отбора (т. е. не только то, как фактор риска влияет на отбор, но также и то, как причины фактора риска и/или причины результата влияют на выбор, например, рис. 2b).В то время как эти восходящие причины могут по отдельности оказывать небольшое влияние на отбор, возможно, что множество факторов с индивидуальными небольшими эффектами могут вместе иметь большой эффект отбора и вносить коллайдерное смещение 65 .

    Отрицательный контрольный анализ : Если в выбранной выборке есть факторы, о которых известно, что они не влияют на исход, то проверка связи этих факторов с исходом в выбранной выборке может служить в качестве отрицательного контроля 66, 67 .По своей сути ассоциации отрицательного контроля должны быть нулевыми, и поэтому они полезны в качестве инструмента для предоставления доказательств в поддержку выбора. Если мы наблюдаем ассоциации с большей величиной, чем ожидалось, это указывает на то, что образец был выбран как для отрицательного контроля, так и для интересующего результата 68,69 .

    Корреляционный анализ : Концептуально аналогично подходу отрицательного контроля, описанному выше, когда выборка выбрана, все признаки, повлиявшие на выборку, коррелируют внутри выборки (за исключением очень маловероятного случая, когда причины абсолютно мультипликативны).Тестирование корреляций между предполагаемыми факторами риска, когда ожидается, что не должно быть никакой связи, может указать на наличие и величину выборочного отбора и, следовательно, на вероятность смещения коллайдера, искажающего первичный анализ 70 .

    Последствия

    Большинство научных данных, лежащих в основе политики и принятия клинических решений во время пандемии COVID-19, были получены в результате обсервационных исследований 71 . Мы показали, как эти наблюдательные исследования особенно восприимчивы к неслучайной выборке.Рандомизированные клинические испытания предоставят экспериментальные данные для лечения, но экспериментальные исследования инфекции будут невозможны по этическим причинам. Влияние смещения коллайдера на выводы из обсервационных исследований может быть значительным не только для моделирования передачи болезни 72,73 , но также и для причинно-следственного вывода 7 и прогнозного моделирования 2 .

    Хотя существует множество подходов, пытающихся решить проблему смещения коллайдера, они опираются на недоказуемые предположения.Трудно определить степень выборки выборки, и даже если бы она была известна, нельзя было бы доказать, что она была полностью учтена каким-либо методом. Репрезентативные опросы населения 34 или стратегии выборки, позволяющие избежать проблем коллайдерной систематической ошибки 74 , срочно необходимы для получения надежных доказательств. Ученые и политики должны с осторожностью относиться к результатам выборок, которые, вероятно, не являются репрезентативными для целевой группы населения.

    Лучшие практики Unity 3D: физика

    (Примечание: это продолжение предыдущей статьи об оптимизации и лучших методах разработки Unity).

    Эта вторая часть нашей серии будет полностью посвящена физическим движкам Unity.

    Я представлю, как и в предыдущей статье, простые темы, которые просты в использовании и оптимизируют использование физического движка.

    Начнем!

    слоя и матрица столкновений:

    Все игровые объекты, если они не настроены, создаются на слое по умолчанию, где (по умолчанию) все сталкивается со всем. Это довольно неэффективно.

    Установите, что с чем должно сталкиваться.Для этого вы должны определить разные слои для каждого типа объекта.

    Для каждого нового слоя в матрицу столкновений добавляются новая строка и столбец. Эта матрица отвечает за определение взаимодействия между слоями.

    По умолчанию при добавлении нового слоя матрица столкновений настроена так, чтобы этот новый слой сталкивался со всеми остальными существующими, поэтому ответственность за доступ к нему и настройку его взаимодействия лежит на разработчике.

    Правильно настроив слои и настроив матрицу столкновений, вы избежите ненужных столкновений и тестирования прослушивателей столкновений.

    В демонстрационных целях я создал простую демонстрацию, в которой я создаю экземпляры 2000 объектов (1000 красных и 1000 зеленых) внутри контейнера-коробки. Зеленые объекты должны взаимодействовать только сами с собой и со стенками контейнера, то же самое с красными объектами.

    В одном из тестов все экземпляры принадлежат слою по умолчанию, а взаимодействия выполняются строковым сравнением тега игровых объектов в прослушивателе столкновений.

    В другом тесте каждый тип объекта установлен на своем собственном слое, и я настраиваю взаимодействие каждого слоя через матрицу коллизий.В этом случае тестирование строк не требуется, поскольку происходят только правильные коллизии.

    Рисунок 1: Конфигурация матрицы столкновений

    Изображение ниже взято из самой демонстрации. У него простой менеджер, который подсчитывает количество столкновений и автоматически останавливается через 5 секунд.

    Впечатляет количество ненужных дополнительных коллизий, возникающих при использовании общего слоя.

    Рисунок 2: Количество столкновений за 5 секунд

    Для получения более точных данных я также собрал данные профилировщика физического движка.

    Рисунок 3: Общие и отдельные слои Данные физического профилировщика

    Существует значительная разница в количестве ЦП, затрачиваемом на физику, как мы можем видеть из данных профилировщика, от использования одного слоя (в среднем ~ 27,7 мс) до отдельных слоев (в среднем ~ 17,6 мс).

    Рейкасты:

    Raycasting — очень полезный и мощный инструмент, доступный на физическом движке. Это позволяет нам выпускать луч в определенном направлении с определенной длиной и сообщит нам, если он во что-то войдет.

    Однако это дорогостоящая операция; на его производительность сильно влияет длина луча и тип коллайдеров на сцене.

    Вот несколько советов, которые могут помочь в его использовании.

    • Это очевидно, но используйте наименьшее количество лучей, чтобы выполнить работу

    • Не увеличивайте длину луча больше, чем нужно. Чем больше луч, тем больше объектов нужно проверить по нему.

    • Не используйте use Raycast внутри функции FixedUpdate() , иногда даже внутри Update() может быть излишним.

    • Остерегайтесь типа используемых вами коллайдеров. Рейкастинг против меш-коллайдера действительно дорог.

    • Хорошим решением является создание дочерних элементов с примитивными коллайдерами и попытка аппроксимации формы мешей. Все дочерние коллайдеры родительского Rigidbody ведут себя как составные коллайдеры.

    • Если крайне необходимо использовать коллайдеры сетки, то хотя бы сделайте их выпуклыми .

    • Уточните, на что должен попадать луч, и всегда старайтесь указывать маску слоя для функции raycast.

    • Это хорошо объяснено в официальной документации, но то, что вы указываете в функции raycast, является не идентификатором слоя, а битовой маской.

    • Итак, если вы хотите, чтобы луч попадал в объект, который находится на слое с идентификатором 10, вам следует указать 1<<10 (битовый сдвиг «1» влево в 10 раз), а не 10.

    • Если вы хотите, чтобы луч поразил все, кроме того, что находится на слое 10, просто используйте оператор побитового дополнения (~), который инвертирует каждый бит в битовой маске.

    Я разработал простую демонстрацию, в которой объект испускает лучи, которые сталкиваются только с зелеными прямоугольниками.

    Рисунок 4: Демо-сцена Simple Raycast

    Оттуда я манипулирую количеством и длиной лучей, чтобы получить некоторые данные профилировщика для резервного копирования того, что я написал ранее.

    На графике ниже видно влияние на производительность количества лучей и их длины.

    [![NumberOfRaysGraph](https://res.cloudinary.com/dukp6c7f7/image/upload/f_auto,fl_lossy,q_auto/s3-ghost/2014/05/NumberOfRaysGraph2-640×420.png)](https://res.cloudinary.com/dukp6c7f7/image/upload/f_auto,fl_lossy, q_auto/s3-ghost/2014/05/NumberOfRaysGraph2.png)

    Рисунок 5: Количество лучей влияет на производительность

    [![RaysLengthGraph](https://res.cloudinary.com/dukp6c7f7/image/upload/f_auto,fl_lossy,q_auto/s3-ghost/2014/05/RaysLengthGraph2-640×400.png)](https://res .cloudinary.com/dukp6c7f7/image/upload/f_auto,fl_lossy,q_auto/s3-ghost/2014/05/RaysLengthGraph2.png)

    Рисунок 6. Влияние длины лучей на производительность

    Также в демонстрационных целях я решил сделать так, чтобы он мог переключаться с обычного примитивного коллайдера на меш-коллайдер.

    Рисунок 7: Сцена Mesh Colliders (110 verts на коллайдер)

    Рисунок 8: Данные физического профилирования коллайдеров Primitive vs Mesh

    Как видно из графика профиля, рейкастирование коллайдеров сетки заставляет физический движок выполнять немного больше работы за кадр.

    Физика 2D против 3D:

    Выберите, какой физический движок лучше всего подходит для вашего проекта.

    Если вы разрабатываете 2D-игру или 2,5D-игру (3D-игру на 2D-плоскости), использование движка 3D Physics будет излишним. Это дополнительное измерение имеет ненужные затраты ЦП для вашего проекта.

    Вы можете проверить разницу в производительности между обоими двигателями в предыдущей статье, которую я написал специально на эту тему:

    https://x-team.com/blog/unity3d-v4-3-2d-vs-3d-physics/

    Жесткий корпус:

    Компонент Rigidbody является важным компонентом при добавлении физических взаимодействий между объектами.Даже при работе с коллайдерами в качестве триггеров нам нужно добавлять их в игровые объекты, чтобы события OnTrigger работали правильно.

    Игровые объекты, не имеющие компонента RigidBody, считаются статическими коллайдерами. Это важно знать, потому что крайне неэффективно пытаться перемещать статические коллайдеры, поскольку это заставляет физический движок заново пересчитывать физический мир.

    К счастью, профилировщик сообщит вам, если вы перемещаете статический коллайдер, добавив предупреждение на вкладку предупреждения в профилировщике ЦП.

    Чтобы лучше продемонстрировать воздействие при перемещении статического коллайдера, я удалил RigidBody всех движущихся объектов в первом представленном мною демо и записал на него новые данные профилировщика.

    Рисунок 9: Предупреждение о движущихся статических коллайдерах

    Как видно из рисунка, всего генерируется 2000 предупреждений, по одному на каждый движущийся игровой объект. Кроме того, среднее количество ресурсов процессора, затрачиваемое на физику, увеличилось с ~17,6 мс до ~35,85 мс, что довольно много.

    При перемещении игрового объекта обязательно нужно добавить к нему RigidBody.Если вы хотите напрямую управлять его движением, вам просто нужно пометить его как кинематическое в свойствах твердого тела.

    Фиксированный временной шаг:

    Измените значение фиксированного временного шага в диспетчере времени; это напрямую влияет на FixedUpdate() и скорость обновления физики. Изменяя это значение, вы можете попытаться достичь хорошего компромисса между точностью и временем процессора, затрачиваемым на физику.

    Подведение итогов:

    Все обсуждаемые темы действительно легко настроить/реализовать, и они, несомненно, повлияют на производительность ваших проектов, поскольку почти каждая игра, которую вы будете разрабатывать, будет использовать физический движок, даже если он предназначен только для обнаружения столкновений.

    В следующей части этой серии я сосредоточусь исключительно на оптимизации рендеринга и графического процессора.

    столкновений игроков

    Если вы хотите определить, когда игрок входит или выходит из области, лучше всего использовать события OnPlayerTrigger . Их три:

    • OnPlayerTriggerEnter вызывается, когда капсула игрока входит в триггерный коллайдер
    • OnPlayerTriggerStay вызывается на кадрах, когда капсула игрока находится внутри триггерного коллайдера
    • OnPlayerTriggerExit вызывается, когда капсула игрока выходит из триггерного коллайдера.

    Простой Box Collider с установленным флажком Is Trigger.

    Чтобы использовать эти события, добавьте объект с коллайдером и установите флажок «Триггер» на коллайдере. Триггер-коллайдер позволяет объектам и игрокам проходить через него и вызывает события, когда у этих объектов есть коллайдеры. Вы можете узнать больше о столкновении в руководстве Unity.

    📘

    Пограничные случаи

    Есть некоторые пограничные случаи, когда одно из этих событий можно пропустить, например, когда игрок телепортируется из коллайдера или движется ОЧЕНЬ быстро.Мы добавим обработку в будущем, чтобы поймать их.

    Существует еще один набор событий, который вы можете использовать, когда у вас есть такие объекты, как прыгающие мячи или пули, которые вы перемещаете с помощью физики. У этих объектов есть коллайдеры с отключенным IsTrigger, чтобы они могли взаимодействовать с окружающей средой и друг с другом.

    Для обнаружения событий на этих коллайдерах вы можете использовать:

    • OnPlayerCollisionEnter вызывается, когда капсула игрока входит в коллайдер.
    • OnPlayerCollisionStay вызывается на кадрах, когда капсула игрока находится внутри коллайдера.
    • OnPlayerCollisionExit вызывается, когда капсула игрока покидает коллайдер.

    🚧

    События OnPlayerCollision предназначены для движущихся объектов

    Эти события НЕ БУДУТ вызываться, когда игрок «вступает» в неподвижный объект. Если вы хотите справиться с этим, используйте триггерный коллайдер.

    Наконец, вы можете использовать OnPlayerParticleCollision для обнаружения столкновения частицы с игроком, предполагая, что в системе частиц включены сообщения о столкновении и отправка сообщений о столкновении.

    В этой системе частиц включен модуль столкновения, установлены режимы «Мир» и «3D» с включенной функцией «Отправить сообщения о столкновении».

    Посмотрите пример сцены Удон, чтобы увидеть, как можно использовать эти события.

    Новый тип коллайдера частиц может достигать более высоких энергий при меньших затратах

    Физики элементарных частиц преодолели одно из самых больших препятствий на пути к коллайдеру, который мог бы разбивать частицы с меньшими затратами.

    (Inside Science) — Новое поколение физики элементарных частиц стало намного ближе.Ученые из Эксперимента по охлаждению мюонной ионизации (MICE) разработали революционно новый процесс, который впервые делает коллайдер мюонных частиц доступным. Такой коллайдер может позволить физикам получить доступ к более высоким энергиям, чем когда-либо прежде, открывая дверь на новый рубеж в исследованиях фундаментальной физики.

    Ученые описывают процесс в новой статье, опубликованной сегодня в журнале Nature .

    Протоны и электроны: Испытано и протестировано

    Современные коллайдеры частиц либо сталкивают протоны или электроны сами с собой, либо электроны с их аналогами из антиматерии — позитронами.Цель обоих одна и та же: столкнуть частицы вместе с большим количеством энергии и посмотреть, что получится из физики. Чтобы обнаружить неуловимый бозон Хиггса, понадобился самый мощный из когда-либо построенных ускорителей — Большой адронный коллайдер (БАК).

    Но ни протоны, ни электроны не являются идеальными кандидатами для максимизации энергии этих столкновений.

    «Проблема с протонами заключается в том, что они на самом деле представляют собой совокупность еще более мелких частиц, склеенных вместе», — сказал Крис Роджерс, физик из Лаборатории Резерфорда Эпплтона в США.К. и член коллаборации MICE. «Поэтому, когда мы сталкиваем эти протоны, на самом деле мы сталкиваем пакеты частиц, и каждая из этих более мелких частиц содержит только часть общей энергии протона».

    Коллайдер мог бы использовать элементарные частицы, чтобы быть более эффективным, поскольку их нельзя разбить на более мелкие части. Электроны соответствуют описанию, но есть другая проблема: когда электроны ускоряются по кругу, они излучают энергию в явлении, называемом синхротронным излучением.

    «Нам нужна фундаментальная частица, не имеющая синхротронного излучения», — сказал Роджерс. «Это то, что мы имеем в мюонах».

    Мюоны похожи на электроны тем, что имеют такой же отрицательный электрический заряд, но примерно в 200 раз больше массы. Мюонный коллайдер открыл бы захватывающие возможности в области физики элементарных частиц. Поскольку столкновения мюонов более энергоэффективны, мюонный коллайдер может достигать более высоких энергий, чем LHC, при меньшем размере и потенциально с гораздо более низкой ценой.

    «Использование мюонов очень важно, потому что вся энергия столкновения используется для создания новых частиц», — сказала Надя Пастроне, директор по исследованиям Итальянского национального института ядерной физики и председатель рабочей группы мюонного коллайдера в ЦЕРНе. «Мы могли бы открыть новое состояние материи или, что еще лучше, точно измерить, как бозон Хиггса взаимодействует с другими частицами: одно из самых важных измерений в этой области. Это способ открыть для себя новую физику».

    Мюоны: новые, но сложные

    Проблема в том, что с мюонами сложнее обращаться, чем с другими частицами.В ускорителях мюонные пучки производятся из пучка энергичных протонов, попадающих в цель. В результате высокоэнергетического столкновения образуются частицы, называемые пионами, которые почти сразу же распадаются на мюоны. Этот непрямой хаотический процесс не создает очень узкого мюонного пучка — он больше похож на рассеянный пучок диаметром с арбуз. Чтобы извлечь из эксперимента хоть какую-то значимую физику, ученым нужно было выяснить, как уменьшить диаметр луча примерно до размера четверти.

    Чтобы еще больше усложнить ситуацию, в отличие от бессмертных протонов и электронов, мюоны распадаются на другие частицы всего за 2.2 микросекунды — и нужно сузить или «охладить» пучок мюонов от диаметра арбуза до четверти, а затем выровнять его для проведения эксперимента, прежде чем эти мюоны рассыплются на куски.

    Эксперимент MICE — это первая демонстрация уникального молниеносного процесса охлаждения, называемого ионизационным охлаждением. Рассеянный мюонный пучок проходит через серию поглотителей из жидкого водорода и металлических полостей, заполненных электромагнитным полем.

    В поглотителях мюоны отскакивают от атомов водорода и выбивают электроны атомов, процесс, который лишает мюон части хаотического импульса.Затем мюоны проходят через металлическую полость, где электромагнитное поле ускоряет их в прямом направлении.

    После длинной серии поглотителей и полостей мюоны объединились в узкий пучок.

    Акселератор, построенный MICE, имел около 10 метров в длину и 3 метра в высоту – размером со школьный автобус. Он не может конкурировать с многокилометровым БАК, но он преодолевает одно из самых больших препятствий на пути развития мюонных коллайдеров.

    «Мюонное ионизационное охлаждение было краеугольным камнем в демонстрации технической осуществимости мюонных коллайдеров», — сказал Владимир Шильцев, бывший руководитель Целевой группы по мюонному коллайдеру в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе.«Учитывая результаты эксперимента MICE, люди очень серьезно начали думать о мюонных коллайдерах, как об изменении правил игры. Существует не так много великих идей, которые могут изменить ландшафт физики элементарных частиц; мюонные коллайдеры — один из них».

    Зачем нужен Большой адронный коллайдер? – OpenLearn

    Большой адронный коллайдер Смотреть это анимационное видео на Большом адронном коллайдере

    Если столкновения частиц, подобные тем, что происходят в БАК, происходят постоянно, то зачем нам строить БАК? Космические лучи постоянно приходят из космоса, захватываются магнитным полем Земли и устремляются к северному и южному магнитным полюсам.В принципе, вы могли бы построить там детектор частиц и просто замерять столкновения, которые происходят естественным образом.

    Проблема в том, что вы не сможете контролировать типы поступающих частиц, поэтому может быть довольно сложно ставить эксперименты. Это оказывается непреодолимой проблемой для научных вопросов, на которые должен ответить БАК, поэтому единственный способ — построить БАК и провести собственные столкновения.

    Естественные столкновения частиц все еще могут сделать что-то очень полезное для БАК: они демонстрируют, что столкновения частиц БАК не представляют опасности для безопасности Земли или Вселенной.На самом деле космические лучи могут достигать даже более высоких энергий, чем на БАК, и они падают на Луну, Землю и другие планеты в течение миллиардов лет.

    Луна и планеты все еще там, что является очень сильным аргументом в пользу безопасности БАК. Если взглянуть еще шире, безопасность выглядит еще сильнее. Во всей Вселенной естественные столкновения частиц высокой энергии эквивалентны 10 миллионам миллионов экспериментов, подобных LHC, каждую секунду. Само существование галактик и звезд — очень сильный аргумент в пользу безопасности БАК.

     

    Вопрос: Специалисты по физике элементарных частиц иногда описывают свою Стандартную модель физики элементарных частиц как “элегантную” или “красивую”. Считаете ли вы, что эти слова следует использовать для описания научных теорий? Есть ли другие теории , которые вы могли бы назвать элегантными или красивыми? Поделитесь своими ответами, используя функцию “Комментарии”.

    Дальнейшее чтение:

     

    Узнайте больше о безопасности LHC

    Узнайте больше о физике элементарных частиц в этих статьях и видео:  

     

    OnCollisionEnter vs.OnTriggerEnter — когда их использовать | Dennisse Pagan Dávila

    Коллайдеры добавлены в GameObjects, чтобы отразить их физическую структуру и имитировать физику реального мира.

    По умолчанию объект с компонентом Rigidbody всегда будет сталкиваться с объектом, имеющим компонент Collider.

    Коллайдеры могут использоваться как триггеры, а также как блокирующие твердые тела. Когда коллайдер установлен в качестве триггера, он может обнаруживать взаимодействия с другими игровыми объектами.

    Несмотря на то, что коллайдеры используются как физическое представление наших объектов, это не означает, что вы должны формировать их так, чтобы они соответствовали точному силуэту объекта.Ваш персонаж может иметь сложную форму, но вы можете применить Box Collider или даже Capsule Collider.

    Простой способ отличить их друг от друга — представить их визуально. OnCollisionEnter можно визуализировать как , сталкивающий со стеной, а OnTriggerEnter можно визуализировать как , запускающий тревогу.

    Давайте рассмотрим их по отдельности.

    OnCollisionEnter

    В основном используется для сплошных взаимодействий.В этом примере кода переменная параметра « other » относится к другим игровым объектам, которые могут быть зарегистрированы как коллизии. Например, его можно использовать, чтобы сделать персонажа игрока твердым , а не какой-то сущностью, которая может проходить сквозь другие объекты или даже падать сквозь пол.

    Без коллайдера

    С коллайдером

    Его также можно использовать для объектов, которые сталкиваются с окружающей средой и другими игровыми объектами.

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.