Коллайдер зачем нужен: Зачем нужен Большой адронный коллайдер: его новое открытие может изменить физику

Разогнать Вселенную в адронном коллайдере

Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.

Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: «Наука – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.

---

 

 

На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?

Весь мир состоит из элементарных частиц, которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».

Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего», которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.

Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн. Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.

Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).

«К коллайдеру!»

Ускоритель в Лаборатории Ферми. Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор. Над подземными тоннелями видны кольцевые пруды, рассеивающие избыточное тепло от оборудования. Fermilab, Reidar Hahn / wikimedia.org (CC0 1.0)

Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это — ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.

Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.

История создания БАК

Глобус науки и инноваций ЦЕРНа. Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)

Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР.   Они получили название циклотроны, и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.

Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН), которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.

ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.

В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.

Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).

На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.

 «Любопытство – не порок, но большое свинство»

27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.

Цели, которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:

1. Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
2. Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
3. Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
4. Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.

Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.

Чего удалось достичь?

Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса. Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».

Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны. Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы –  мезон. Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.

Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.

Какие планы?

Питер Хиггс. Hans G / flickr.com (CC BY-SA 2.0)

Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики.

Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны. Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.

Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей. Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.

Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.

На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.

Зачем нужен адронный коллайдер? Что такое большой адронный коллайдер

Пожалуй, всему миру известно грандиознейшее научное сооружение Европы – Большой адронный коллайдер, который выстроен неподалёку от швейцарского города Женева.

Перед его запуском было немало панических слухов о грядущем конце света и о том, что установка нанесёт непоправимый вред экологии Швейцарии. Однако годы идут, коллайдер работает, а мир остаётся прежним. Для чего же построили столь огромную и дорогостоящую конструкцию? Давайте разберёмся.

Что такое Большой адронный коллайдер?

В конструкции Большого адронного коллайдера, или БАК, нет ничего мистического. Это всего лишь ускоритель заряженных элементарных частиц, который необходим для разгона тяжёлых частиц и изучения продуктов, образующихся при их столкновении с другими частицами.

Во всём мире существует больше десятка аналогичных установок, в их числе – российские ускорители в подмосковной Дубне и в Новосибирске. БАК был впервые запущен в 2008 году, но из-за случившейся вскоре аварии долгое время работал на невысокой энергетической мощности, и лишь с 2015 года стала возможной эксплуатация установки на расчётных мощностях.

Как и практически все подобные установки, БАК представляет собой тоннель, проложенный в виде кольца. Он находится на глубине примерно 100 метров на границе между Францией и Швейцарией. Строго говоря, в систему БАК входит две установки, одна меньшего, другая большего диаметра. Длина большого тоннеля превосходит размеры всех прочих существующих сегодня ускорителей и составляет 25,5 километров, из-за чего коллайдер получил название Большого.

Для чего построен коллайдер?

Современным физикам удалось разработать теоретическую модель , объединяющую три фундаментальных взаимодействия из четырёх существующих и названную Стандартной моделью (СМ). Однако она пока не может считаться всеобъемлющей теорией строения мира, поскольку практически неисследованной остаётся область, названная учёными теорией квантовой гравитации и описывающая гравитационное взаимодействие. Ведущую роль в нём, согласно теории, должен играть механизм образования массы частиц, названный бозоном Хиггса.

Учёные всего мира надеются, что исследования, проводимые на БАК, позволят изучить свойства бозона Хиггса экспериментальным путём. Кроме того, немалый интерес представляет изучение кварков – так называются элементарные частицы, образующие адроны (из-за них коллайдер назван адронным).

Как функционирует БАК?

Как уже сказано, БАК представляет собой круглый тоннель, состоящий из основного и вспомогательного колец. Стенки тоннеля сложены из множества мощнейших электромагнитов, которые генерируют поле, ускоряющее микрочастицы. Начальный разгон происходит во вспомогательном тоннеле, но необходимую скорость частицы набирают в основном кольце, после чего несущиеся навстречу частицы сталкиваются, а результат их столкновения фиксируют высокочувствительные приборы.

В результате многочисленных экспериментов в июле 2012 года руководство ЦЕРН (Европейского совета ядерных исследований) объявило о том, что эксперименты позволили обнаружить бозон Хиггса. В настоящее время продолжается изучение этого явления, так как многие его свойства отличаются от предсказанных в теории.

Для чего людям нужен БАК?

Затраты на строительство БАК составили, по разным сведениям, свыше 6 млрд долларов США. Сумма становится намного более внушительной, если вспомнить ежегодные расходы на эксплуатацию установки. Для чего нужно нести столь существенные расходы, какую пользу принесёт коллайдер обычным людям?

Исследования, запланированные и уже происходящие на БАК, в перспективе могут открыть людям доступ к дешёвой энергии, которую можно будет получать буквально из воздуха. Это будет, возможно, наиболее грандиозная научно-техническая революция в истории человечества. Кроме того, разобравшись в механизме бозона Хиггса, люди, возможно, получат власть над силой, которая пока остаётся полностью неподконтрольной людям – над гравитацией.

Безусловно, открытия, которые будут сделаны при помощи Большого адронного коллайдера, не позволят нам прямо завтра овладеть технологией преобразования вещества в энергию или создать антигравитационный летательный аппарат – практические результаты ожидаются лишь в отдалённом будущем. Однако эксперименты позволят сделать ещё несколько небольших шагов к пониманию сути строения Вселенной.

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.

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

В ЦЕРНе – это крупнейший в мире ускоритель частиц. И его стоило строить хотя бы ради размаха экспериментов, которые теперь на нем проводятся. Впрочем, эксперименты достигли таких масштабов, что физики уже не могут строить их самостоятельно. В этом им помогают квалифицированные инженеры. Хотите узнать, как физики и инженеры работают над обновлением БАК и созданием преемника знаменитого ускорителя частиц?

В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.

Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).

Краткое описание

LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.

Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.

Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера – расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.

Для чего нужен Адронный коллайдер?

В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы – силы тяжести.

Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них – теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.

Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других – нет? Физики предложили много объяснений.

Самое простое из них – механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.

Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.

Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.

Темная материя

Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.

Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.

Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.

Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.

Большой взрыв в микромасштабах

Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.

Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.

Необычные теории

Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.

Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.

Что такое коллайдер в цифрах?

LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.

Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.

Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.

Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.

На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны – ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.

В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.

Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.

Столкновение протонов

Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного – по часовой стрелке, а второго – против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.

Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.

Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.

Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.

Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.

Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.

Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.

Детекторы

Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.

Самым крупным является ATLAS. Его размеры – 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.

Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны – это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.

Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.

Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.

LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.

Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.

Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.

На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.

Обработка данных

Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.

Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.

Опасность для планеты?

Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т. д.

Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.

Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.

Наверняка почти каждый человек на Земле, хоть раз, да слышал о большом адронном коллайдере. Вот только, несмотря на то, что многие слышали о нем, мало кто понимает, что такое адронный колладейр, каково его предназначение, в чем суть адронного коллайдера. В нашей сегодняшней статье мы ответим на эти вопросы.

Что такое адронный коллайдер

По сути адронный коллайдер представляет собой сложный ускоритель элементарных частиц. С его помощью физикам удается разогнать протоны и тяжелые ионы. Изначально адронный коллайдер создавался для подтверждения существования , неуловимой элементарной частицы, которую физики порой в шутку называют «частичкой Бога». И да, существование этой частички было подтверждено экспериментально с помощью коллайдера, а сам ее первооткрыватель Питер Хиггс получил за это нобелевскую премию по физике в 2013 году.

Разумеется, одним лишь бозоном Хиггса дело не ограничилось, помимо него физиками были найдены и некоторые другие элементарные частицы. Теперь вы знаете ответ на вопрос, зачем нужен адронный коллайдер.

Что представляет собой большой адронный коллайдер

Прежде всего, необходимо заметить, что большой адронный колайдер не возник на пустом месте, а появился как эволюция своего предшественника – большого электрон-позитронного коллайдера, представляющего собой 27-ми километровый подземный туннель, строительство которого началось еще в 1983 году. В 1988 году кольцевой тоннель сомкнулся, притом интересно то, что строители подошли к делу очень тщательно, настолько, что расхождение между двумя концами туннеля составляет лишь 1 сантиметр.

Так выглядит схема адронного коллайдера.

Электрон-позитронный коллайдер проработал до 2000 года и за время его работы в физике был сделан с его помощью целый ряд открытий, среди которых открытие W и Z бозонов и их дальнейшее исследование.

С 2001 года на месте электрон-позитронного коллайдера началось уже строительство коллайдера адронного, которое закончилось в 2007 году.

Где находится адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, в долине женевского озера, всего лишь в 15 км от самой Женевы. И располагается он на глубине 100 метров.

Место расположения адронного коллайдера.

В 2008 году начались его первые испытания под патронатом ЦЕРН – Европейской организации по ядерным исследованиям, которая на данный момент является крупнейшей лабораторией в мире в области физики высоких энергий.

Для чего нужен адронный коллайдер

С помощью этого гигантского ускорителя элементарных частиц физики могут проникать так глубоко внутрь материи, как никогда раньше. Все это помогает, как подтверждать старые научные гипотезы, так и создавать новые интересные теории. Детальное изучение физики элементарных частиц помогает нам приблизиться в поисках ответов на вопросы об устройстве Вселенной, о том, как она зародилась.

Глубокое погружение в микромир позволяет открыть революционно новые пространственно-временные теории, и как знать, может быть, даже удастся проникнуть в тайну времени, этого четвертого измерения нашего мира.

Как работает адронный коллайдер

Теперь давайте опишем, как собственно работает большой адронный коллайдер. О принципах его работы говорит название, так как само слово «коллайдер» с английского переводится как «тот, кто сталкивает». Главная его задача – устроить столкновение элементарных частиц. Причем частицы в коллайдере летают (и сталкиваются) на скоростях, близких к скоростям света. Результаты столкновений частиц фиксируют четыре основных больших детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и множество вспомогательных детекторов.

Более детально принцип работы адронного коллайдера описан в этом интересно видео.

Опасность адронного коллайдера

В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва . Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.

А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время.

Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.

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

Что такое коллайдер и зачем он нужен. Большой адронный коллайдер

Определение большого адронного коллайдера звучит так: БАК является ускорителем заряженных частиц, и создан он с целью разгона тяжелых ионов и протонов свинца, и исследования тех процессов, которые происходят при их столкновении. Но зачем это нужно? Таит ли в себе это какую-то опасность? В этой статье мы и будем отвечать на эти вопросы, и попробуем понять, зачем нужен большой адронный коллайдер.

Что собой представляет БАК

Большой адронный коллайдер – это огромнейший тоннель кольцеобразной формы. Он похож на большую трубу, которая разгоняет частицы. Находится БАК под территорией Швейцарии и Франции, на глубине 100 метров. Ученые всего мира принимали участие в его создании.

Цель его постройки:

• Найти бозон Хиггса. Это механизм, который наделяет частицы массой.
• Изучение кварков – это фундаментальные частицы, которые входят в состав адронов. Поэтому и название коллайдера «адронный».

Многие думают, что БАК является единственным ускорителем в мире. Но это далеко не так. Начиная с 50-х годов 20 века в мире построен не один десяток подобных коллайдеров. Но большой адронный коллайдер считается самым масштабным сооружением, длина его составляет 25,5 км. Кроме этого, в него входит еще один ускоритель, меньший по размеру.

СМИ о БАК

В СМИ, еще с начала создания коллайдера, появилось огромное количество статей об опасности и дороговизне ускорителя. Основная масса людей считает, что деньги потрачены зря, они не могут понять, зачем тратить столько средств и сил на поиски какой-то частицы.

• Большой адронный коллайдер не является самым дорогим научным проектом в истории.
• Основная цель этой работы – бозон Хиггса, для открытия которого и созданадронный коллайдер. Результаты этого открытия принесут человечеству множество революционных технологий. Ведь изобретение сотового телефона тоже когда-то было встречено негативно.

Принцип работы БАК

Рассмотрим, как выглядит работа адронного коллайдера. Он на больших скоростях сталкивает пучки частиц, а затем следит за их последующим взаимодействием и поведением. Как правило, на вспомогательном кольце сначала разгоняется один пучок частиц, а уже после этого он отправляется в кольцо основное.

Внутри коллайдера частицы удерживают множество сильнейших магнитов. Так как столкновение частиц происходит за доли секунды, то их перемещение фиксируют высокоточные приборы.

Организацией, которая осуществляет работу коллайдера, является ЦЕРН. Именно она, 4 июля 2012 года, после огромных денежных вложений и трудов, официально объявила о том, что бозон Хиггса таки найден.

Зачем БАК нужен

Теперь необходимо понять, что же дает БАК обычным людям, зачем адронный коллайдер нужен.

Открытия, связанные с бозоном Хиггса и изучение кварков, могут привести в перспективе к новой волне научно-технического прогресса.

• Грубо говоря, масса является энергией в состоянии покоя, а значит, в будущем есть возможность преобразовать материю в энергию. И, следовательно, не будет проблем с энергией и появится возможность межзвездных путешествий.
• В будущем изучение квантовой гравитации позволит управлять гравитацией.
• Это дает возможность подробнее изучить М-теорию, которая утверждает, что в мироздание входит 11 измерений. Это изучение позволит глубже понять строение Вселенной.

О надуманной опасности адронного коллайдера

Как правило, люди боятся всего нового. Опасения у них вызывает и адронный коллайдер. Опасность же его надумана и разжигается в СМИ людьми, не имеющими естественно-научного образования.

• В БАК сталкиваются адроны, а не бозоны, как пишут некоторые журналисты, пугая людей.
• Подобные приборы работают уже много десятилетий и приносят не вред, а пользу науке.
• Предположение о столкновении протонов с высокими энергиями, в результате которых могут возникнуть черные дыры, опровергается квантовой теорией гравитации.
• В черную дыру может коллапсировать только звезда в 3 раза тяжелее солнца. Так как в солнечной системе таких масс нет, то и черной дыре неоткуда возникнуть.
• Из-за той глубины, на которой находится коллайдер под землей, его излучение не представляет опасности.

Мы узнали, что такое БАК и для чего нужен адронный коллайдер и поняли, что опасаться его не стоит, а лучше ждать открытий, которые сулят нам большой технический прогресс.

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).

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.

Фото из открытых источников

С момента раскрытия информации о целях строительства, устройстве и схеме действия адронного коллайдера появлялась масса догадок о последствиях, к которым могут привести подобные исследования. Запуск коллайдера был точкой во времени, которая могла бы разделить историю на «до» и «после». Предугадать, как повела бы себя материя в неестественных для земных условий обстоятельствах, не могли даже светлейшие умы. Массу невероятных теорий и догадок породил большой адронный коллайдер, последние новости о котором можно найти в этом разделе.

Коллайдер – портал в другие миры?

Один из успешных запусков коллайдера дал неожиданный результат, открыв портал в другой мир. В процессе столкновения частиц в небе над местом проведения эксперимента образовались облака необычного пунцового цвета, начался вихрь, напоминающий портал. Адронный коллайдер проектировался для контролируемого образования уменьшенных версий черных дыр путем столкновения протонов и ионов. Добились ли ученые своей цели или «портал» был всего лишь совпадением, доподлинно неизвестно.

Известно, что в ближайшем будущем появится адронный коллайдер в России , мощность которого в 100 раз будет превышать возможности первого проекта. Предварительные фото коллайдера, возводимого в РФ, потрясают своим масштабом. Сложно предугадать, к каким последствиям приведут опыты на новом БАК. Всем, кто интересуется исследованиями в области физики, рекомендуем посмотреть видео коллайдера в действии.

Самые последние новости о коллайдере публикуются в данном разделе. Раздел включает в себя уникальные фото, видео, открытия и гипотезы ученых.

С помощью Большого адронного коллайдера впервые создан цветной рентгеновский снимок

Большой адронный коллайдер вызывает множество подозрений и нареканий, особенно среди конспирологов. Однако на днях ученые доказали, что коллайдер может выполнять и вполне конкретные, понятные каждому, весьма полезные для общества задачи.

Конспирологи заговорили об аналоге Большого адронного коллайдера в Антарктиде

Антарктида остается для большинства землян великой загадкой, разгадать которую, как считают многие, человечеству удастся еще не скоро. Однако конспирологи придерживаются несколько иной точки зрения на этот счет, поскольку считают, что ледяной континент хранит тайну только для широкой общественности, но не для сильных мира сего.

Новый коллайдер начнет работать в наукограде Дубне уже к 2020 году

Это – уникальный коллайдерный комплекс с красивым названием «Ника», и запустить его ученые подмосковного наукограда Дубна, крупнейшего российского центра исследований в области ядерной физики, намереваются к 2020 году, то есть, вполне возможно, что данный проект начнет работать уже в 2019 году, а то и в 2018-м.

Российский ученый ЦЕРН пытался открыть «врата ада»

В Европейской организации по ядерным исследованиям ЦЕРН арестован российский физик А.Зюганов, который с группой подчиненных им исследователей провел «высоко опасные испытания» на Большом адронном коллайдере.

Адронные коллайдеры позволяют открыть порталы в иные миры?

Проекты адронных коллайдеров, которых на планете, очевидно, имеется гораздо больше, чем один, окутаны плотной завесой тайны. На ускорители заряженных частиц тратятся колоссальные деньги. На сооружение одного только Большого адронного коллайдера выделили более десяти миллиардов евродолларов.

В Швейцарии зафиксировали целый рой землетрясений после запуска адронного коллайдера на полную мощность

Не смотря на то, что руководство CERN выступает категорически против такой постановки вопроса, есть полное подозрение, что после запуска 28 июня Большого адронного коллайдера на максимальную мощность, в Швейцарии началось настоящее светопредставление – 73 землетрясений за двое суток.

Ищем виноватых в аномально холодном лете 2017 года, или Как китайский спутник повлиял на погоду

Глобальное потепление, которым пугают мир вот уже не первое десятилетие, вылилось, однако, в аномально холодное лето нынешнего года. Ученые, и особенно из тех, кто придерживается теории глобального потепления, тут же стали искать причину такого странного явления.

Завтра будут открыты врата в Ад?

Для Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) 9 мая сего года стал началом нового рубежа в освоении антиматерии, постижении загадочной частицы – бозона Хиггса, поскольку именно в этот день был запущен Linac 4 – новый укоритель протонов, 90–метровое устройство, способное разгонять элементарные частицы до скорости света.

Проведен обряд человеческого жертвоприношения на территории CERN

Группа людей в черных балахонах проникла в Европейский центр ядерных исследований (CERN), где установлен Большой адронный коллайдер и совершила у статуи индусского бога Шивы обряд человеческого жертвоприношения.

Россия создает свой адронный коллайдер

Известный европейский ускоритель заряженных частиц, располагающийся под землей на границе Франции и Швейцарии, является не только самой крупной, но и самой загадочной экспериментальной установкой мира. Одни считают, что он способен целиком уничтожить нашу планету, другие убеждены, что Большой адронный коллайдер позволит человечеству получить неиссякаемые источники энергии, в которых мы сегодня так нуждаемся.

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.

Простое объяснение того, зачем физике нужен коллайдер частиц за пределами БАК

Внутри БАК, где протоны пересекаются со скоростью 299 792 455 м/с, всего на 3 м/с меньше скорости… [+] света . Каким бы мощным ни был БАК, нам нужно начать планировать коллайдеры следующего поколения, если мы хотим раскрыть тайны Вселенной, лежащие за пределами возможностей БАК.

ЦЕРН

В области физики высоких энергий есть проблема, и она самая большая, какую только можно себе представить. С одной стороны, у нас есть Стандартная модель физики элементарных частиц: квантовая теория поля, описывающая частицы Вселенной и то, как они взаимодействуют. Стандартная модель, от ядерных реакторов до радиоактивного распада, космических частиц и ускорителей высоких энергий, прошла все когда-либо разработанные экспериментальные испытания.

С другой стороны, Стандартная модель не объясняет всего, что, как мы знаем, должно существовать. Темная материя, темная энергия, значения фундаментальных констант и происхождение того, почему наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии, — все это нерешенные нерешенные загадки. Когда Большой адронный коллайдер (БАК) был запущен в 2008 году, он был разработан, чтобы найти последний оплот Стандартной модели: бозон Хиггса. Но ни одна другая загадка до сих пор не разгадана. Некоторые утверждают, что это означает, что еще один коллайдер того не стоит. На самом деле это означает, что сейчас он нужен нам больше, чем когда-либо.

Следы частиц, возникшие в результате столкновения с высокой энергией на БАК в 2014 году. Невероятные… [+] детекторы на БАК способны реконструировать, какие частицы были созданы и как они вели себя в непосредственной близости от точки столкновения.

Очень просто, есть несколько правил для создания и измерения свойств каждой известной нам частицы. Все, что вам нужно, — это взаимодействие между любыми двумя уже существующими частицами, где:

• доступно достаточно свободной энергии для создания новых частиц (и античастиц) с помощью теории Эйнштейна Э = мс ² ,
• все квантовые правила сохранения (электрический заряд, цветовой заряд, спин, угловой момент и т. д.) соблюдаются,
• , и взаимодействие, посредством которого вы пытаетесь создать свои частицы (и античастицы), разрешено Стандартной моделью.

Придерживаясь этой формулы, нашим высокоэнергетическим коллайдерам, как в прошлом, так и в настоящем, удалось не только создать каждую отдельную частицу, существование которой предсказано как часть Стандартной модели, но и измерить их физические свойства.

Все частицы и античастицы Стандартной модели теперь обнаружены напрямую, а… [+] последний объект, бозон Хиггса, упал на БАК в начале этого десятилетия. Все эти частицы могут быть созданы при энергиях LHC, а массы частиц приводят к фундаментальным константам, абсолютно необходимым для их полного описания. Эти частицы могут быть хорошо описаны физикой квантовых теорий поля, лежащих в основе Стандартной модели, но пока неизвестно, являются ли они фундаментальными.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Когда вы думаете о физических свойствах, вы, вероятно, думаете о таких вещах, как масса, заряд, размер (если применимо), вращение и так далее. Это, безусловно, важные компоненты свойств частицы, но это не исчерпывающий список. Большинство частиц из-за взаимодействий, которые разрешены (и запрещены) Стандартной моделью, не стабильны бесконечно, а имеют конечное время жизни, после которого они распадаются.

Из-за правил квантовой физики не существует однозначного однозначного ответа на вопрос «когда эта частица распадется и на что она распадется?» Вместо этого все, что у нас есть, — это набор вероятностей. Мы можем количественно определить среднее (среднее) время жизни частицы, ее возможные пути распада, вероятности, связанные с каждым из них, и т. д. Если у нас есть правильная физическая теория, наши предсказания этих свойств должны соответствовать экспериментальным результатам, которые мы получаем с помощью коллайдеров. эксперименты.

Стандартная модель физики элементарных частиц учитывает три из четырех взаимодействий (кроме гравитации),… [+] полный набор обнаруженных частиц и все их взаимодействия. Существуют ли дополнительные частицы и/или взаимодействия, которые можно обнаружить с помощью коллайдеров, которые мы можем построить на Земле, — это спорный вопрос, но ответ на него мы узнаем, только если исследуем текущую энергетическую границу.

Образовательный проект по современной физике / DOE / NSF / LBNL

Только мы знаем, что Стандартная модель не может быть правильной в абсолютном смысле. Несомненно, это кажется приблизительно правильной версией более глубокой и фундаментальной теории, которую ни один эксперимент никогда не опровергал и не заставлял нас сомневаться. Но нельзя отрицать необходимость новых частиц, полей и/или взаимодействий для полного описания всей известной Вселенной.

Какой бы ни была окончательная истина нашей физической реальности, Стандартная модель не может быть ее полной полнотой. Там должно быть больше. Главный вопрос вот в чем:  насколько соответствует стандартной модели? Увидим ли мы новые частицы, если достигнем энергии в 10, 100 или 1000 раз больше, чем можем сейчас? Увидим ли мы отклонения от его предсказаний в 3-й, 5-й или 9-й значащей цифре распада частиц и времени жизни? Или это будет Стандартная модель, насколько наши возможности могут нас завести?

Круговой коллайдер будущего — это предложение построить к 2030-м годам преемник БАК с окружностью до 100 км: почти в четыре раза больше длины нынешних подземных туннелей.

Исследование CERN/FCC

БАК до сих пор был совершенно невероятным в плане экспериментов. В дополнение к обнаружению последнего препятствия в Стандартной модели элементарных частиц — бозона Хиггса — он также исследовал границу энергии до более высоких значений, чем когда-либо прежде. Самая тяжелая частица в Стандартной модели — топ-кварк с энергией примерно 175 ГэВ/c ² ; LHC исследовал энергии почти в 100 раз выше.

Если будут обнаружены новые частицы с энергией примерно до 7000 ГэВ/c ² , БАК способен их найти. Если в известных частицах обнаруживаются отклонения от ожидаемого поведения, предсказанного Стандартной моделью, БАК также может исследовать их. Тем не менее, с беспрецедентно большим количеством столкновений при энергиях, никогда ранее не достигавшихся в лаборатории, все согласуется только со старой доброй Стандартной моделью.

Наблюдаемые каналы распада бозона Хиггса в сравнении со Стандартной моделью, включая последние данные ATLAS… [+] и CMS. Согласие поражает и в то же время разочаровывает. К 2030-м годам на БАК будет примерно в 50 раз больше данных, но точность многих каналов распада по-прежнему будет известна лишь с точностью до нескольких процентов. Будущий коллайдер может увеличить эту точность на несколько порядков, обнаружив существование потенциально новых частиц.

Андре Давид, через Твиттер

Это не катастрофа для физики элементарных частиц, но разочаровывает. В прошлом, когда мы расширяли энергетические границы на новую территорию, мы не только обнаруживали искомую частицу или явление, но и дополнительные сюрпризы или новшества, которые давали новое понимание фундаментальной природы реальности. Не так с LHC.

Бозон Хиггса, как и предсказывала Стандартная модель, кажется самым обычным вариантом, без изменений скорости распада, времени жизни, массы, ширины или коэффициента ветвления. Другие частицы Стандартной модели тоже, будучи подвергнуты этому новому уровню тщательного изучения, по-видимому, иллюстрируют, насколько верна Стандартная модель, без каких-либо отклонений. Единственным намеком на новую физику были призраки, которые оказались простыми случайными колебаниями данных, согласующимися со Стандартной моделью.

При столкновении двух протонов могут столкнуться не только составляющие их кварки, но и море… [+] кварки, глюоны и, кроме того, взаимодействие полей. Все они могут дать представление о вращении отдельных компонентов и позволить нам создавать потенциально новые частицы, если будут достигнуты достаточно высокие энергии и светимости.

CERN / CMS Collaboration

Большой экзистенциальный вопрос, стоящий перед этой областью: «Куда мы идем дальше?» Есть два основных пути:

1. Путь грубой силы, на котором мы увеличиваем энергию столкновений, количество столкновений и количество каждого типа частиц Стандартной модели, которые мы можем создать, чтобы лучше наблюдать их распады, коэффициенты ветвления, время жизни и т. д.
2. Изящный подход, при котором проводятся специальные эксперименты для поиска явлений, которые могут привести к намекам на физику за пределами Стандартной модели где-либо еще, например, в нейтринных осцилляциях, условиях кварк-глюонной плазмы или других экзотических сценариях.

Изящный подход будет применен в любом случае; такие эксперименты, как LSND, MiniBOONE, DAMA/CoGENT и другие, уже делают именно это. Перед нами стоит вопрос, построим ли мы новый, будущий коллайдер, который выведет нас за пределы БАК.

Должны быть новые частицы, и их можно обнаружить, раздвинув границы экспериментальной физики элементарных частиц. Варианты включают в себя новую физику, новые силы, новые взаимодействия, новые соединения или множество экзотических сценариев, включая те, которые нам еще предстоит вообразить.

Когда мы сдергиваем завесу нашего космического невежества; когда мы исследуем границы энергии и точности; поскольку мы производим все больше и больше событий, мы начнем получать данные, как никогда раньше. Если в 7-м десятичном знаке хиггсовского распада есть новая физика, или если W ⁺ имеет немного другое отношение ветвления распада, чем W ^– , новый коллайдер — единственный инструмент, который, вероятно, обнаружит это. Сигнатуры новых частиц могут проявляться как очень небольшая поправка к предсказаниям Стандартной модели, а создание огромного количества распадающихся частиц, таких как тяжелые бозоны или кварки, может выявить их.

На этой диаграмме показана структура стандартной модели (таким образом, что ключевые… [+] взаимосвязи и закономерности отображаются более полно и менее вводя в заблуждение, чем на более знакомом изображении, основанном на квадрате частиц 4×4). В частности, на этой диаграмме изображены все частицы стандартной модели (включая их буквенные названия, массы, спины, хиральность, заряды и взаимодействия с калибровочными бозонами, т. е. с сильными и электрослабыми взаимодействиями). Он также изображает роль бозона Хиггса и структуру нарушения электрослабой симметрии, показывая, как среднее значение вакуума Хиггса нарушает электрослабую симметрию и как в результате изменяются свойства оставшихся частиц.

Латам Бойл и Мардус из Викисклада

Но если мы решим не строить его, мы никогда не узнаем, будут ли обнаружены эти новые признаки физики за пределами Стандартной модели. Вполне вероятно, что для многих порядков энергии найти нечего. Хотя новые частицы, поля и/или взаимодействия, безусловно, присутствуют, они могут не проявляться в миллион (или более) раз сверх того, что может исследовать БАК.

Высшее кошмарный сценарий в физике элементарных частиц состоит не в том, что БАК не найдет ничего, кроме бозона Хиггса; дело в том, что нет ничего, что человечество могло бы найти с помощью любого коллайдера, который мы можем разумно построить на Земле. Прямо сейчас, на данный момент времени, у нас есть люди, база знаний и инфраструктура, чтобы попытаться создать коллайдер следующего поколения. Если мы упустим открывающуюся перед нами возможность в ближайшие годы, мы, вероятно, никогда не создадим единственную машину, которая сможет вывести нас за пределы того, что известно в настоящее время.

Определенно существует новая физика за пределами Стандартной модели, но она может не проявиться до тех пор, пока энергии… [+] намного, намного превысят то, что может достичь земной коллайдер. Тем не менее, верен ли этот сценарий или нет, единственный способ узнать это — посмотреть.

Universe-review.ca

БАК, конечно, еще не вылизан. В настоящее время он подвергается модернизации как по энергии, так и по светимости, что позволит увеличить количество столкновений при немного более высоких энергиях, чем когда-либо. В целом, БАК собрал всего 2% данных, которые он когда-либо собирал за всю свою жизнь; есть 50-кратное улучшение, которое можно получить просто за счет большего количества времени и запланированного графика обновлений. Есть шанс, что с большим количеством и лучшими данными БАК сможет раскрыть великие тайны физики, которые выведут нас за пределы наших нынешних ограничений.

Так это или нет, но единственный способ узнать, какие тайны на самом деле хранит природа, это посмотреть. Если мы не зададим Вселенной самые фундаментальные вопросы о самой ее природе, мы уверяем себя, что никогда не узнаем ответов. Конечно, будущий коллайдер с новым туннелем, новыми детекторами, новыми магнитами и новым конвейером данных будет очень дорогим.

Масштабы предполагаемого кругового коллайдера будущего (FCC) по сравнению с LHC, находящимся сейчас в ЦЕРНе… [+] и Tevatron, ранее работавшим в Fermilab. Future Circular Collider — это, пожалуй, самое амбициозное предложение для коллайдера следующего поколения на сегодняшний день.

Pcharito / Wikimedia Commons

Но как вы можете сравнить стоимость нового коллайдера с ценой для человечества даже без попытки понять великие неизвестные перед нами? Может наступить день, когда мы откажемся от того, чему нас может научить наука, но сегодня не тот день. До тех пор, пока существуют границы, которые можно раздвинуть с точки зрения энергии, точности или количества данных, которые мы можем собрать, наша обязанность как любопытного вида — раздвигать эти границы настолько далеко, насколько это возможно.

Подход грубой силы, конечно, не единственный, который мы должны использовать, точно так же, как астрономы не вкладывают все средства в создание единственного телескопа с максимально возможной светосилой. Но отказаться от него сейчас, после того как он завел нас так далеко, было бы самой большой ошибкой, которую мы могли бы совершить.

Низко висящие плоды могут исчезнуть, и мы не знаем, что может быть там, на верхушках деревьев. Мы можем построить сборщик вишен, достаточно хороший, чтобы доставить нас туда. Разве ты не хочешь попробовать самый сладкий фрукт из всех?

Коллайдеры | Rapier

Коллайдеры представляют собой геометрические фигуры, которые генерируют контакты и события столкновения при соприкосновении. Присоединение одного или нескольких коллайдеров к твердому телу позволяет воздействовать на твердое тело контактными силами.

Создание и вставка#

Коллайдер создается путем добавления компонента Collider . Другие компоненты, такие как Transform , Датчик , Трение и т. д. могут быть добавлены для настройки коллайдера.

• Пример 2D
• Пример 3D

Коллайдер может быть дополнительно прикреплен к твердому телу. Прикрепление коллайдера к твердому телу приведет к твердое тело подвергается воздействию столкновений. Положение коллайдера будет автоматически обновляться с позиции твердого тела, к которому он прикреплен. Есть два способа прикрепить коллайдер к твердому телу. Секунда способ позволяет прикрепить несколько коллайдеров к одному твердому телу:

1. Прикрепите Collider к тому же объекту, что и RigidBody .
2. Присоедините Collider к сущности, которая является дочерней сущностью, содержащей RigidBody .

Тип коллайдера#

Существует два типа коллайдеров:

• Твердотельный коллайдер представляет собой геометрическую форму которые могут иметь точки контакта с другими коллайдерами для создания контактных сил, чтобы объекты не могли проникающие друг в друга.
• Сенсорные коллайдеры на другом конце не генерировать контакты: они генерируют события пересечения только тогда, когда один сенсорный коллайдер и другой коллайдер начинают/останавливаются трогательный. Сенсорные коллайдеры обычно используются для обнаружения того, что что-то входит в область.

По умолчанию коллайдер является твердым коллайдером. Его можно заменить датчиком при постройке коллайдера или после его конструкция:

Формы#

Обзор#

Основной характеристикой коллайдера является его геометрическая форма. Поддерживаемые формы показаны ниже:

Формы содержат информацию только о своей геометрии. Их положение в мировом пространстве определяется положением коллайдера. Шары, прямоугольные параллелепипеды, капсулы, цилиндры и конусы описываются их полувысотой и/или радиусом. Сложные формы, выпуклые сетки, треугольные сетки, поля высот и полилинии — более сложные формы, описанные в следующих абзацах.

Выпуклая сетка#

Выпуклая сетка представляет собой фигуру, в которой две точки являются частью фигуры, тогда отрезок между этими двумя точками равен также часть формы:

Существует два способа создания коллайдера выпуклой формы:

1. Использование Collider::convex_hull(points) . Это самый простой подход: он автоматически вычисляет выпуклую корпус заданного набора точек. Выпуклая оболочка — это наименьшая выпуклая форма, содержащая все заданные точки.
2. Использование Collider::convex_mesh(точки, индексы) в 3D или Collider::convex_polyline(points) в 2D. Это берет сетку, описываемую ее буфером вершин и индексом буфер и предполагает, что он уже выпуклый (вы должны сами убедиться, что он выпуклый). Это будет эффективнее, чем Collider::convex_hull конструктор, потому что это не будет делать никаких вычислений, чтобы гарантировать выпуклость. Однако, если входная сетка на самом деле не является выпуклой, обнаружение столкновений с этой формой даст неправильный результат.

Треугольные сетки и полилинии#

Треугольные сетки (в 3D) и полилинии (в 2D) можно использовать для описания границ любой формы. Это обычно полезно для описания фиксированной среды в играх (территория, здания и т. д.) Треугольные сетки и полилинии определяются их буфером вершин и их индексным буфером. Намотка треугольников треугольной сетки не имеет значения. Его топология также не имеет значения (в нем могут быть отверстия, полости, его не нужно закрывать или многообразие). Однако настоятельно рекомендуется избегать длинных и тонких треугольников, поскольку они могут привести к более низкая числовая стабильность обнаружения столкновений.

Треугольная сетка/полилиния состоит из треугольников/сегментов без толщины. Это означает, что такие геометрические запросы, как точечные тесты удержания не будут работать интуитивно, потому что предполагается, что треугольная сетка не имеет внутренней части.

Можно построить коллайдер с треугольной сеткой с Collider::trimesh(вершины, индексы) где вершины — буфер, содержащий вершины меша, а индексов — набор индексов, указывающих, какая вершина используется какой треугольник. Буфер вершин и буфер индексов могут иметь разную длину, и любая вершина может использоваться совместно. несколькими треугольниками.

Коллайдер полилиний может быть построен с Collider::polyline(вершины, индексы) где вершины — это буфер, содержащий вершины полилинии, а индекса — необязательный набор индексов указывая, какая вершина используется каким сегментом. Буфер вершин и буфер индексов могут иметь разную длину, и любой вершина может быть разделена несколькими сегментами. Если данный буфер вершин равен None , то предполагается, что входные вершины образуют линейную полосу, т. е. полилиния формируется из отрезков [вершины[0], вершины[1]], [вершины[1], вершины[2]] и т. д.

предупреждение

Не рекомендуется использовать треугольные сетки или полилинии для коллайдеров, динамические твердые тела. Поскольку у них нет внутренней части, в них легко застрять другому предмету. Для правильного моделирования невыпуклых объектов рекомендуется использовать выпуклую декомпозицию с вместо этого составная форма.

Поля высот#

Поля высот представляют собой более ограниченную версию треугольных сеток и полилиний. Однако их легче определить и использовать гораздо меньше памяти. Поэтому поля высот полезны для определения больших участков местности с простой топологией.

Трехмерное поле высоты представляет собой большой прямоугольник в плоскости X-Z , разделенный сеткой через равные интервалы. Каждый вершине этого подразделения присваивается высота, т. е. координата этой точки по оси Y . Трехмерное поле высоты коллайдер можно создать с Collider::heightfield(высота, масштаб) где heights представляет собой матрицу, указывающую высоту каждой точки подразделения этого поля высот. Количество рядов этого матрица – это количество подразделений вдоль X , а количество столбцов — это количество подразделений вдоль Z ось. Аргумент масштаба указывает размер прямоугольника плоскости X-Z .

Поле 2D высоты представляет собой большой сегмент вдоль оси X , разделенный через равные интервалы. Каждая вершина этого подразделению присваивается высота, т. е. координата этой точки по оси Y . Двумерный коллайдер высотного поля может быть создан с Collider::heightfield(высота, масштаб) где heights — это вектор, указывающий высоту каждой точки подразделения этого поля высот. Количество элементов на этот вектор является числом подразделений поля высот. Аргумент масштаба указывает длину подразделенного отрезок по оси X .

Составные фигуры#

Не рекомендуется использовать треугольную сетку или полилинию для формы коллайдера, прикрепленного к динамическому твердому телу. Альтернативой является использование составной формы для моделирования невыпуклого объекта как объединения нескольких выпуклых частей (которые могут быть кубоидами, шарами, выпуклыми сетками и т. д.) Это обычно известно как выпуклое разложение .

Для построения составной формы можно указать непосредственно набор фигур, а также их положение в локальное пространство составной формы:

Также возможно построить составную форму, моделирующую выпуклую декомпозицию трехмерной треугольной сетки или двухмерной полилинии. используя Collider::convex_decomposition(вершины, индексы) метод. Это автоматически создаст составную форму составленный из нескольких выпуклых сеток, полученных в результате приблизительного выпуклого разложения треугольной сетки (или полилинии в 2D) с использованием алгоритма VHACD. Вот примеры двухмерного вогнутого многоугольника, разложенного на два выпуклых частей, а также трехмерную сетку с ее приближенным выпуклым разложением, состоящим из 7 выпуклых частей:

Круглые формы#

Некоторые формы имеют круглых вариантов : RoundCuboid , RoundCylinder , RoundCone , RoundConvexPolygon4 и и КруглыйВыпуклыйМногогранник . Это формы, к которым добавлена ​​небольшая толщина с круглой рамкой:

По алгоритмическим причинам обнаружение столкновений с использованием круглых цилиндров , круглых конусов , круглого выпуклого многоугольника или круглый выпуклый многогранник будет быстрее, чем обнаружение столкновений с их некруглыми аналогами. Однако, обнаружение столкновений с круглыми кубоидами будет медленнее, чем обнаружение столкновений с обычными кубоидами.

Коллайдеры круглой формы построены так же, как и их некруглые аналоги, например, Collider::round_cuboid . Эти конструкторы принимают один дополнительный параметр: размер добавленной толщины, называемый border_radius .

Массовые характеристики#

Массовые характеристики твердого тела вычисляются как сумма массовых характеристик вручную установленный пользователем для твердого тела, плюс массовые характеристики прикрепленных к нему коллайдеров . Есть два Способы определения массовых свойств коллайдера:

1. Самый простой, автоматический способ : придание коллайдеру ненулевой плотности (плотность по умолчанию равна 1,0) или ненулевого масса. Это обеспечит автоматическое вычисление других массовых свойств, таких как тензор угловой инерции, из форма коллайдера.
2. Ручной способ : задав коллайдеру явную массу и угловую инерцию.

Рекомендуется использовать подходы, основанные на плотности или массе, так как это обеспечит автоматически вычисляемый массовые свойства согласуются с геометрической формой. Неправильные массовые характеристики (особенно угловая часть инерции и расположение центра масс) может привести к странному поведению. Ручной подход обычно полезен при моделировании реального мира. объекты, для которых вы уже знаете реальную массу, центр масс и тензор угловой инерции.

Массовые характеристики коллайдера могут быть установлены только при создании коллайдера:

• Пример 2D
• Пример 3D

Position#

Положение коллайдера представляет его положение (перемещение) в 2D или 3D мир-пространство, а также его ориентация (вращение). Оба они объединены в компонент Bevy Transform . Его поступательная часть представлена ​​в виде вектора и его вращательная часть как единичный кватернион (в 3D) или единичное комплексное число (в 2D). Оба объединены в изометрию.

предупреждение

Пожалуйста, внимательно прочитайте абзац после следующего примера. Это объясняет, как положение коллайдера (и действие установки это положение) ведет себя иначе, когда он прикреплен к твердому телу.

Это положение можно установить при создании коллайдера или после его создания:

• Пример 2D
• Пример 3D

Если коллайдер прикреплен к твердому телу , его положение автоматически обновляется конвейер физики, когда твердое тело, перемещаемое по физическому конвейеру. Если пользователь изменяет положение твердого тела, коллайдер позиция будет обновлена ​​в течение следующего временного шага.

Таким образом, установка Transform коллайдера, прикрепленного к твердому телу, изменит положение коллайдер относительно твердого тела, к которому он прикреплен:

• Пример 2D
• Пример 3D

Трение#

Трение — это сила, противодействующая относительному тангенциальному движению между двумя твердыми телами, контактирующими с коллайдерами. Эта сила имеет направление, ортогональное контактной нормали и противоположное относительному движению твердого тела при точка контакта. Согласно модели кулоновского трения, максимальная величина этой силы равна величине сила вдоль нормали контакта, умноженная на коэффициент трения . Коэффициент трения 0 означает полное отсутствие трения (полностью скользящий контакт), а коэффициент, больший или равный 1, означает отсутствие трения. очень сильное трение. Допускаются значения больше 1.

В настоящее время Rapier не делает различий между фиксированным и динамическим коэффициентами трения.

У каждого коллайдера свой коэффициент трения. Это означает, что когда два коллайдера соприкасаются, нам нужно применить правило, которое объединяет коэффициенты трения этих двух коллайдеров в один коэффициент, который будет использоваться для контакт. Это правило описывается CoefficientCombineRule enum:

• CoefficientCombineRule::Average : для контакта используется среднее значение двух коэффициентов.
• CoefficientCombineRule::Min : для контакта используется минимальный из двух коэффициентов.
• CoefficientCombineRule::Multiply : для контакта используется произведение двух коэффициентов.
• CoefficientCombineRule::Max : для контакта используется максимальный из двух коэффициентов.

По умолчанию используется правило Среднее . Каждому коллайдеру можно задать собственное правило объединения трения. Когда два коллайдера находятся в контакт, нам нужно выбрать одно из их правил объединения. Используется следующий приоритет: Макс. > Умножить > Мин. > Среднее .

Например, если один коллайдер с правилом объединения трения Умножить находится в контакте с коллайдером с правилом трения Среднее правило комбинирования, затем Multiply 9Для коэффициента трения этого контакта будет применяться правило 0144 (т.е. коэффициенты обоих коллайдеров будут перемножены для получения коэффициента, используемого контактом).

Коэффициент трения и правило объединения трения могут быть установлены при создании коллайдера или после его создания:

Restitution#

Restitution управляет тем, насколько эластичным (он же упругий ) является контакт. Эластичность контакта контролируется по коэффициенту реституции . Коэффициент восстановления, равный 1 (полностью эластичный контакт), подразумевает, что скорость выхода в контакте имеет ту же величину, что и скорость входа по нормали контакта: это как если бы вы уронили прыгающий мяч, и он возвращается на ту же высоту после отскока. Коэффициент реституции, равный 0, означает, что выходная скорость в контакте будет равна нулю по нормали контакта: это как если бы вы уронили мяч, но он совсем не отскакивает.

Коэффициенты трения и восстановления управляются очень похожим образом: с помощью Правило комбинирования коэффициентов или с контактной модификацией. Абзац ниже почти идентичен абзацу о трении.

У каждого коллайдера свой коэффициент восстановления. Это означает, что когда два коллайдера соприкасаются, нам нужно применить правило, которое объединяет коэффициенты восстановления этих двух коллайдеров в один коэффициент, который будет использоваться для контакт. Это правило описывается перечислением CoefficientCombineRule :

• CoefficientCombineRule::Average : для контакта используется среднее значение двух коэффициентов.
• CoefficientCombineRule::Min : для контакта используется минимальный из двух коэффициентов.
• CoefficientCombineRule::Multiply : для контакта используется произведение двух коэффициентов.
• CoefficientCombineRule::Max : для контакта используется максимальный из двух коэффициентов.

По умолчанию Используется среднее правило . Каждому коллайдеру можно задать собственное правило объединения реституции. Когда два коллайдера находятся в контакт, нам нужно выбрать одно из их правил объединения. Используется следующий приоритет: Макс. > Умножить > Мин. > Среднее .

Например, если один коллайдер с правилом объединения реституции Умножить находится в контакте с коллайдером с реституцией Среднее правило комбинирования, то для коэффициента реституции этого контакта будет применяться правило Умножить (т.е. обоих коллайдеров будут перемножены для получения коэффициента, используемого контактом).

Коэффициент реституции и правило объединения реституции могут быть установлены при создании коллайдера или после его создания:

Группы столкновений и группы решателей#

Наиболее эффективный способ предотвратить взаимодействие некоторых пар коллайдеров друг с другом — это использовать коллизию группы или группы решателей. Каждому коллайдеру дается:

• A Collision_groups для фильтрации, какая пара коллайдеров должна иметь свои контакты (или проверка пересечения, если по крайней мере один из коллайдеров является датчиком), вычисляемым методом узкой фазы. Эта фильтрация происходит сразу после широкой фазы, в начале узкой фазы.
• Solver_groups для фильтрации, для какой пары коллайдеров должны быть рассчитаны контактные силы. Эта фильтрация происходит в конце узкой фазы, перед решателем ограничений. columns_groups также предотвратит вычисление самого контакта (и событий контакта). группы_столкновений 9В большинстве случаев следует отдавать предпочтение 0144, поскольку он пропускает больше вычислений. Solver_groups только полезно, если вы действительно хотите, чтобы контактная информация вычислялась без каких-либо усилий, например, чтобы вы могли применить свои собственные силы на основе этих контактов.

  Группа коллайдера или группа решателя описывается как пара битовых масок:

  • Членство в группах указывает, в какие группы входит коллайдер (один бит на группу).
  • Группы фильтр указывает, с какими группами может взаимодействовать коллайдер (по одному биту на группу).

  Например, допустим, мы хотим, чтобы наш коллайдер A входил в группы [0, 2, 3] и мог взаимодействовать с группами [2] , тогда его членство в группах равно 0b1101 , а фильтр его групп равен 0b0100 . Группы столкновений и группы решателей коллайдера могут быть установлены во время или после его создания:

  После того, как широкая фаза обнаружит, что два коллайдера A и B могут начать соприкасаться, узкофазный проверит столкновение группы обоих коллайдеров, чтобы увидеть, нужно ли вычислять контакты. Проверка работает следующим образом:

  • Если коллайдер A не является членом какой-либо группы коллизий в фильтре B , то контакт не вычисляется.
  • Если коллайдер B не является членом какой-либо группы коллизий в фильтре A , то контакт не вычисляется.
  • Точная побитовая проверка выглядит следующим образом:

  Если этот тест завершится успешно, то узкая фаза вычислит контакты. Затем он проверит группы решателей обоих коллайдеры, используя тот же тип тестов, что и описанный ранее, но с использованием групп решателей вместо групп столкновений . Если тест пройден успешно, решатель ограничений вычислит силы для этих контактов. Иначе не будет.

  Активные типы столкновений#

  По умолчанию обнаружение столкновений между двумя коллайдерами полностью отключено, когда оба они прикреплены к нединамическим телам. Иногда может быть полезно включить обнаружение столкновений, например, между коллайдером, прикрепленным к кинематическому твердому телу. и коллайдер, прикрепленный к неподвижному твердому телу. Это можно сделать, изменив 9 коллайдеров.0143 ActiveCollisionTypes :

  Активные события#

  Обработчики событий — это определяемые пользователем обратные вызовы, используемые для уведомляется, когда два коллайдера начинают/перестают соприкасаться. По умолчанию событие столкновения не генерируется узкофазный. Чтобы включить событие столкновения для пары коллайдеров, в по крайней мере один из вовлеченных коллайдеров должен иметь соответствующее событие, установленное как активное. Событие активировано для коллайдера установив соответствующий бит активных событий в 1 :

  • Установка бита ActiveEvents::COLLISION_EVENTS в 1 включает события столкновения с участием коллайдера.

  Активные события коллайдера могут быть установлены при создании коллайдера или после его создания:

  Активные хуки#

  Физические хуки — это определяемые пользователем обратные вызовы, используемые для фильтрации некоторых контактов пары или изменять контакты на основе произвольного пользовательского кода. Чтобы включить физический хук для пары коллайдеров, в по крайней мере один из задействованных коллайдеров должен иметь соответствующий хук, установленный как активный. Крюк активирован для коллайдера установив соответствующий бит активных ловушек на 1 :

  • Установка бита ActiveHooks::FILTER_CONTACT_PAIRS в 1 включает ручную фильтрацию всех пар контактов с участием коллайдера.
  • Установка бита ActiveHooks::FILTER_INTERSECTION_PAIRS на 1 включает ручную фильтрацию всех пар контактов с участием коллайдера.
  • Установка бита ActiveHooks::MODIFY_SOLVER_CONTACTS в 1 включает ручную модификацию контактов для всех контактов многообразия с участием коллайдера.

  Активные хуки коллайдера можно установить при создании коллайдера или после его создания:

  Unity Collision Detection 2D что вам нужно знать

  Вот и мы, я чувствую еще одну тайну, Unity Collision Detection 2D.

  Что? На этот раз это слишком сложно!?

  Не думаю.

  Я знаю, что это большое дело, но если мы хотим, чтобы создавал видеоигры, нам нужны и . Посмотрим правде в глаза:

  Управление столкновениями .

  Не волнуйтесь, мы найдем всю необходимую информацию, и на этот раз у нас будет еще один партнер, который поможет в нашем расследовании: Юнити.

  Да, Unity поможет нам , тогда нам просто нужно начать анализ улик.

  Шаг за шагом мы поймем, как управлять столкновениями в нашей игре, и этот чудовищный случай станет милым маленьким котенком.

  Готов? Мяу!

  Словарь столкновений Unity

  Эй, партнер, вот что я уже обнаружил, есть некоторые важных понятий   , которые нужно знать , прежде чем продолжить и понять  Обнаружение столкновений Unity 2D :

  Физический движок 2D

  Для обнаружения столкновений и имитации физической системы реального мира Unity предоставляет встроенный физический движок, так что все математические расчеты ускорения, сил, гравитации, обнаружения столкновений и т.  д. уже есть.

  Кажется, другие отважные сыщики уже раскрыли дело физики! Спасибо, кто бы вы ни были!

  Обнаружение столкновений

  Это обнаружение пересечения двух или нескольких объектов . Часто это связано с симуляцией физического мира в нашей игре.

  Позвольте мне перечислить для вас некоторые обнаружения, которые мы хотели бы обработать:

  • Один объект (или несколько объектов) касается или ударов другого объекта (или нескольких объектов)
  • Один объект (или несколько объектов) перекрывает другой объект (или несколько объектов)

  Обнаружение означает, что каким-то образом мы должны быть предупреждены, когда произойдет столкновение !

  Пожалуйста, посмотрите в Википедии подробное описание обнаружения столкновений в видеоиграх.

  Коллайдер 2D

  Это компонент для определения формы игрового объекта для физических целей .

  Если спрайт Gameobject представляет собой сложный рисунок, для работы потребуется только приближение его формы , потому что 2D-коллайдер невидим и не различим во время игры!

  Итак, спрайт — это рисунок, коллайдер — это форма, что это значит?

  Спрайт это что пользователь видит , коллайдер это что движок считает коллизиями.

  Триггер 2D

  Это особое поведение 2D-коллайдера , когда мы просто хотим определить, когда один коллайдер накладывается на другой без создания коллизии .

  Таким образом, объект с таким поведением перестает быть твердым объектом и позволяет другим коллайдерам в проходить через .

  Жесткое тело 2D

  Это компонент, который позволяет физическому движку управлять объектом , это означает, что на него будут воздействовать гравитация , силы и столкновения !

  Вы готовы играть с векторами ?

  Верно, чтобы двигать наши объекты в разные стороны нам нужно управлять векторами ! Почему бы вам не взглянуть на эту статью для хорошего обновления: Вектор в разработке игр: понять основы векторной математики

  В то время как физический движок 2D перемещает коллайдеры и заставляет их взаимодействовать друг с другом, компонент Rigidbody 2D отвечает за связь этих движений с компонентами Transform .

  Таким образом, игровой объект будет меняться в зависимости от коллайдера!

  Как…

  Как мы можем добавить Collider 2D или Rigidbody 2D к игровому объекту?

  1- Выберите игровой объект на сцене и нажмите «Добавить компонент».

  2- Введите «collider 2D» или «rigidbody 2D» в поле поиска и выберите компонент (для Collider 2D мы увидим разные типы, мы просто поговорим об этом).

  Как мы можем установить коллайдер в качестве триггера?

  Просто установите правильный флажок в компоненте Collider 2D.

  Какой 2D-коллайдер нам следует использовать?

  Вы заметили, что на выбор предлагается более одного коллайдера 2D?

  Да, Unity предоставляет нам список различных уже предустановленных 2D-объектов Collider .

  Почему?

  У Unity есть объяснение для каждого из них, нам просто нужно обогатить его несколькими полезными примерами.

  Давайте тогда выстроим всех подозреваемых и посмотрим на каждого из них (слева спрайт, справа его коллайдер)

  Коробчатый коллайдер 2D

  Box Collider 2D предназначен для квадратных и прямоугольных областей столкновения.

  Круговой коллайдер 2D

  Круговой коллайдер 2D предназначен для круговых областей столкновения.

  Капсульный коллайдер 2D

  Capsule Collider 2D предназначен для круглых или ромбовидных областей столкновения.

  Полигональный коллайдер 2D

  Polygon Collider 2D предназначен для областей столкновений произвольной формы.

  Краевой коллайдер 2D

  Edge Collider 2D предназначен для областей столкновений произвольной формы и областей, которые не полностью закрыты (например, закругленные выпуклые углы).

  Композитный коллайдер 2D

  Composite Collider 2D предназначен для слияния Box Collider 2D и Polygon Collider 2D.

  Мозаичный коллайдер 2D

  Tilemap Collider 2D предназначен для каждого набора Tile в соответствующем компоненте Tilemap игрового объекта Tilemap. Мы поговорим об этом в расследовании Tilemap!

  Типы 2D с жестким корпусом

  Более одного твердого тела типа 2D ? Ты уверен? Я знал это! Некоторые свидетели что-то видели!

  Попробуем узнать версию истории каждого Rigidbody 2D.

  Динамический жесткий корпус 2D

  Это самый распространенный и самый дорогой тип , потому что взаимодействует со всем и предназначен для движения в симуляции. Взаимодействует со всеми типами телосложения .

   Если мы хотим, чтобы на обычный объект воздействовала физика, то это наше тело!

  Мяч в этом примере имеет динамическое Rigidbody 2D, и его можно перемещать, применяя силы, и на него действует гравитация!

   

  Статический жесткий корпус 2D

  В отличие от динамического, он спроектирован так, чтобы не двигаться при симуляции , Действительно, он имеет бесконечную массу , тяжелый, верно? Он сталкивается только с динамическим Rigidbody 2D .

  Это также наименее ресурсоемкий тип кузова в использовании.

  На самом деле вам не нужно устанавливать Rigidbody 2D для статических объектов , только коллайдер 2D необходим для обнаружения столкновений , но , если A Статический объект нуждается в , чтобы быть . свое собственное Rigidbody 2D и это будет наше тело!

  Давайте добавим коробку со статическим Rigidbody2D, это будет препятствием для преодоления!

   

  Жесткий кинематический 2D

  Как и динамика , предназначенная для движения в условиях моделирования , но только контролирует ее , на нее не действуют гравитация и силы . Это быстрее  с точки зрения производительности и дороговизны . Он взаимодействует только с динамическими типами кузова .

  Если мы хотим двигать что-то, на что не действуют силы и гравитация, помните, что это природа взаимодействия только с динамическими типами тел, это наше тело!

  Что, если мы добавим к коробке кинематическое Rigidbody 2D вместо статического? Таким образом, мы можем контролировать его движение без влияния гравитации. Он станет идеальной ловушкой для платформера!

   

  Обнаружение столкновений 2D в сценариях

  Хорошо! Теперь мы многое знаем об обнаружении столкновений Unity в 2D, мы готовы понять , что мы можем сделать, когда произойдет столкновение .

  Unity, наш партнер предоставляет нам два разных способа обработки коллизий в зависимости от того, является коллайдер триггером или нет .

  Нам просто нужно добавить приведенные ниже фрагменты в скрипт нашего игрового объекта с коллайдером, чтобы обрабатывать коллизии и делать то, что мы хотим после обнаружения.

  Просто имейте в виду , если флажок триггера не отмечен нам нужны фрагменты « Collision 2D» , иначе, если нет «Trigger 2D» .

  Столкновение 2D

   //Просто попал в другой коллайдер 2D
  private void OnCollisionEnter2D (коллизия Collision2D)
  {
  //Сделай что-нибудь
  }
  
  // Столкновение с коллайдером 2D
  private void OnCollisionStay2D (коллизия Collision2D)
  {
  //Сделай что-нибудь
  }
  
  //Просто прекратите сталкиваться с коллайдером 2D
  private void OnCollisionExit2D (коллизия Collision2D)
  {
  //Сделай что-нибудь
  } 

  Триггер 2D

   //Просто перекрыл коллайдер 2D
  private void OnTriggerEnter2D (коллизия Collider2D)
  {
  //Сделай что-нибудь
  }
  
  // Перекрытие коллайдера 2D
  private void OnTriggerStay2D (коллизия Collider2D)
  {
  //Сделай что-нибудь
  }
  
  //Просто перестаньте перекрывать коллайдер 2D
  private void OnTriggerExit2D (коллизия Collider2D)
  {
  //Сделай что-нибудь
  } 

  Имейте в виду… Обратите внимание на пробел!

  Эй, партнер! Обнаружение столкновений Unity в 2D больше не является для нас секретом, но мы не можем решить этот случай, не учитывая эти подсказки:

  Коллайдеры 2D Свойства

  Каждый тип коллайдера имеет свойства по сравнению с триггерным. Пожалуйста, ознакомьтесь с документацией для каждого типа, чтобы понять, что делают эти свойства (в разделе «Какой коллайдер 2D мы должны использовать» вы можете найти ссылку для каждого типа коллайдера на его документацию).

  2D-свойства жесткого тела

  Есть некоторые свойства, такие как масса и гравитация, которые нам нужно знать , я предлагаю взглянуть на официальную документацию для объяснения всех из них.

  Статический коллайдер 2D

  Это было «статическое твердое тело 2D», не так ли? Вы правы, но , если нам нужно просто обнаружение столкновений без какой-либо реконфигурации или перемещения, чтобы поместить объект в другое место, мы можем не добавлять Rigidbody 2D 9Компонент 0181.

  Поместите что-нибудь ниже или установите значение гравитации на 0, чтобы избежать падения предметов.

  Распространенная ошибка, когда мы добавляем к объекту динамическое или статическое Rigidbody 2D, если мы запускаем игру объект выпадает с экрана . Чтобы избежать этого, мы можем либо разместить пол под ним с помощью коллайдера , , либо установить значение атрибута гравитации в компоненте твердого тела равным 0 .

  2D НЕ 3D

  Как вы уже заметили, Unity предоставляет многие из этих компонентов в двух версиях , например Box Collider 2D и Box Collider , разница в том, что второй для 3D . Поэтому имейте в виду, что использует только 2D-компоненты в 2D-играх , во-первых, для выступлений, а во-вторых, чтобы избежать смешивания вещей , которые не будут работать, как 3D-компоненты и 2D-методы в скриптах (OnCollisionEnter2D НЕ OnCollisionEnter) .

  OnCollisionEnter2D не будет работать, если триггер включен, и наоборот.

  Помните, мой друг, для столкновений «OnCollisionEnter2D, OnCollisionStay2D, OnCollisionExit2D» , но если мы включим поведение триггера в коллайдере, они перестанут работать, и мы должны использовать «OnTriggerEnter2D, OnTriggerStay2D, OnTriggerExit181» 90.

  Простые столкновения 2D-игра

  Эй! Смотри что я нашел в секретные файлы блога , Старая запись ! Кто-то уже пытался раскрыть это дело.

  Вот моя реконструкция записи:

  W Ховер сможет воспроизвести его поможет решить проигранный случай столкновения 2D-игры.

  Помимо этого они получат приз лучший детектив месяца !

  Как вы думаете, вы сможете понять это?

  Если нет, не волнуйтесь, вы можете найти полный проект на GitHub, но обещайте мне взглянуть на него только в крайнем случае! 😉

  Заключение

  Это была тяжелая работа, нам потребовалось много исследований, поэтому давайте подведем итоги:

  • Для обнаружения столкновений в Gameobject нам нужен Collider 2D , с правильным типом в соответствии с нашими потребностями.