Зачем нужен большой адронный коллайдер: Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?

Содержание

Зачем нужен большой адронный коллайдер. Адронный коллайдер: запуск

БАК – это, прежде всего, большая страшилка. Но так ли опасна она и следует ли её бояться? И да, и нет! Во-первых, всё и даже больше, о чём собираются узнать физики и астрофизики уже заранее известно (см. ниже). А то, что представляет собой настоящую угрозу, из области их предположений, оказывается совсем иной угрозой. Я, почему так уверено говорю об этом, да только потому, что мной сделано 60 научных открытий свойств эфира Вселенной и поэтому об эфире известно всё, но пока мне одному. Во-первых, наука в корне ошибается в отношении «чёрных дыр». «Чёрные дыры» – это ядра всех галактик. Они огромные и их нельзя создать в миниатюре искусственно никоим образом. И вот почему? Любая галактика представляет собой гигантский естественный осциллятор, который циклически расширяется и сокращается с периодом в десятки миллиардов лет. В конце сокращения большинство галактик приобретают форму шара (ядро). Вся Вселенная, в том числе и все галактики, состоят главным образом из эфира.
Эфир представляет собой идеальную неразрывную сжимаемую жидкость, сжатую до колоссального давления, имеет огромную плотность и, самое важное, его вязкость оказывается равной нулю. Ядро и есть «чёрная дыра», но в отличие от общепринятого представления о нём в нём нет, и не может быть, никакой материи в любом её виде – один лишь эфир. За сокращением галактики сразу же следует её расширение. В частности, из шарообразной формы дополнительно начинается образовываться дискообразная форма. В результате расширения в ней эфира его статическое давление внутри уменьшается. Через миллионы лет наступает первое критическое давление, при котором из эфира подобно капелькам росы появляются самые различные субэлементарные частицы, в том числе фотоны, жёсткое излучение – рентгеновские лучи, «частицы Бога» и прочие. Галактика становится видимой, светящейся. Если она обращена к нам боком, то в центре вокруг оси наблюдается чёрная точка или чёрное пятно – эфир в котором материя не образуется. Она образуется на больших диаметрах.
Существует зона или видимый пояс, в котором образуется материя. Далее по мере расширения дискообразной части происходит усложнение материи. Субэлементарные частицы оказываются сдавленными со всех сторон эфиром. Сам эфир между частицами образует параболоиды вращения со статическим давлением меньшим, чем в окружающем их эфире. Наименьшие поперечные сечение параболоидов на средине расстояния между центрами масс этих частиц и определяют силы сдавливания частиц от не скомпенсированного давления на них с противоположных сторон. Под действием сил сдавливания частицы приходят в движение. Частиц великое множество, поэтому результирующие силы от сдавливающих сил оказываются долгое время равными нулю. За сотни миллионов лет это равновесие постепенно нарушается. Некоторые из них слипаются, затормаживая своё движение, другие не успевают пройти мимо и под действием сил сдавливания начинают вращаться вокруг слипшихся более массивных частиц, образую атомы. Затем через миллиарды лет таким же образом образуются молекулы.
Материя постепенно усложняется: образуются газовые звёзды, затем звёзды с планетами. На планетах под действием всё тех же сил сдавливания материя становиться более сложной. Образуются: газообразные, жидкие и твёрдые вещества. Затем на отдельных из них появляется растительный и животный мир и, наконец, живые существа наделённые разумом – люди и инопланетяне. Таким образом, в удалённых зонах галактики по мере расширения дискообразной части, материя становится тем сложнее, чем дальше она находится от центра ядра. В самом же ядре статическое давление, по-видимому, всегда оказывается выше критического, поэтому в нём образование материи оказывается невозможным. Гравитация как таковая не существует вовсе. Во Вселенной и, в частности, в галактиках действует закон всемирного сдавливания (выдавливания). Ядро галактики является «чёрной дырой», но она не обладают силами затягивающими материю. Свет, попавший в такую дыру, свободно проникает сквозь неё вопреки заявлениям о том, что это якобы невозможно.
Поскольку эфир Вселенной представляет собой неделимую сжимаемую жидкость, то он не обладает температурой. Температуру имеет лишь материя, поскольку она дискретна (состоит из частиц). Поэтому нашумевший Большой взрыв и Теория тепловой вселенной оказываются ошибочными. Поскольку во Вселенной действует Закон всемирного сдавливания (выдавливания), то отсутствует ни чем не объяснимая гравитация как таковая, принимаемая учёными просто – на веру. Поэтому не состоятельной оказывается ОТО – общая теория относительности А. Эйнштейна и все теории основанные на различного рода полей и зарядов. Никаких полей и зарядов попросту нет. Находит простое и понятное объяснение четыре великих взаимодействия. Кроме того притяжение объясняется сдавливанием, а отталкивание – выдавливанием. Относительно зарядов: разноимённые заряды притягиваются (явление – сдавливание), а одноименные отталкиваются (явление – выталкивание). Поэтому ещё целый ряд теорий также становятся не состоятельными. Однако падать в обморок от страха из-за образования «чёрных дыр» в БАК – Большом андронном коллайдере не следует.
Ему её никогда не создать, как бы не пыжился его персонал, и какие бы клятвенные заверения не давал. Создавать «частицы Бога» (бозон Гиггса), по-видимому,_ невозможно и не целесообразно. Эти частицы сами в готовом виде прилетают к нам из первой зоны нашей галактики «Млечный путь», а бояться их – тем паче не следует. Бозон атакует Землю уже миллиарды лет и за это время ничего опасного не случилось. Однако чего следует бояться? Опасность есть и очень большая, о которой даже не догадываются те, которые экспериментируют на БАК! В БАК разгоняют до ранее не достижимых около световых скоростей сравнительно тяжёлые частицы. И, если только они по какой-то причине отклонятся от заданной траектории движения и поэтому попадут в детектор или ещё куда-нибудь, то они, обладая большой скоростью и удельной энергией, а её пытаются увеличивать, начнут вышибать электроны из атомов не радиоактивных веществ, провоцирую тем самым ранее неизвестную ядерную реакцию. После чего начнётся самопроизвольное деление ядер практически всех веществ.
Причём это будет атомный взрыв не виданной ранее силы. Вот из-за этого и исчезнет: сначала БАК со Швейцарией, затем Европа и весь земной шар. Хотя на этом быть может всё и остановится, но всех нас уже не будет. Это и будет катастрофа космического масштаба. Поэтому пока не поздно надо персоналу БАК проявить смелость и немедленно приостановить эксперименты на БАК до выяснения истинной причины: так это будет или не так? Быть может я, к счастью, ошибаюсь. Хорошо, если бы это было так. Только коллектив учёных может дать правильный ответ на этот вопрос. Колпаков Анатолий Петрович, инженер-механик

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?

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.

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

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

Амбициозный проект человечества

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

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

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

Зачем нужен большой адронный коллайдер

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

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

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

Бозон Хиггса

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

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

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

Как он работает

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

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

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

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

Цель оправдывает средства

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

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

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

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

Вопросы, на которые не отвечают

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

Опасения научных коллег

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

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

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

Информационная диктатура

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

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

Принцип работы Большого адронного коллайдера

Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использовались ранее в других ускорителях ЦЕРН.

Большой адронный коллайдер – ускоритель протонов, построенный на территории Швейцарии и Франции, не имеет аналогов в мире. Эта кольцевая конструкция протяженностью 27 км сооружена на 100-метровой глубине.

В ней с помощью 120 мощных электромагнитов при температуре, близкой к абсолютному нулю – минус 271,3 градуса по Цельсию, предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9 процентов) встречные пучки протонов. Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит протонам сталкиваться. Направлять частицы будут несколько тысяч сверхпроводящих магнитов. Когда энергии будет достаточно, частицы столкнутся, тем самым учёные создадут модель Большого взрыва. Тысячи датчиков будут фиксировать моменты столкновения. Последствия столкновения протонов и станет главным предметом изучения мира. [ http://dipland.ru /Кибернетика/Большой_андронный_коллайдер_92988]

Технические характеристики

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тера электронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109электронвольт) 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).

Детекторы

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

LHCf (The Large Hadron Collider forward)

MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

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.

Детектор CMS

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.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 М Вт . Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера – 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты – около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева . Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы .[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]

Возможно, через какие-то несколько лет интернет уступит место новой, более глубокой интеграции удаленных компьютеров, позволяющей не только удаленно передавать информацию, локализованную в разных концах света, но и автоматически использовать удаленные вычислительные ресурсы. В связи с запуском Большого адронного коллайдера CERN уже несколько лет работает над созданием такой сети.

То, что интернет (или то, что обозначается термином web) был изобретен в Европейской организации ядерных исследований (CERN), давно уже стало хрестоматийным фактом. Вокруг таблички «В этих коридорах была создана всемирная сеть» в одном из обычных коридоров обычного здания CERN во время дня открытых дверей всегда толпятся зеваки. Сейчас интернет используют для своих практических нужд люди по всему миру, а изначально он был создан для того, чтобы ученые, работающие на одном проекте, но находящиеся в разных концах планеты, могли общаться между собой, делиться данными, публиковать информацию, к которой можно было бы получить доступ удаленно.

Разрабатываемая в CERN система GRID (по-английски grid – решётка, сеть ) – это еще один шаг вперед, новая ступень интеграции пользователей компьютеров.

Он дает не только возможность публиковать данные, которые находятся где-то в другой точке планеты, но и использовать удаленные машинные ресурсы, не сходя со своего места.

Конечно, обычные компьютеры не играют особой роли в обеспечении вычислительных мощностей, поэтому первый этап интеграции – это соединение мировых суперкомпьютерных центров.

Создание этой системы спровоцировал Большой адронный коллайдер. Хотя уже сейчас GRID используется для массы других задач, без коллайдера его бы не было, и наоборот, без GRID обработка результатов коллайдера невозможна.

Карта серверов GRID //

Люди, которые работают в коллаборациях БАК, находятся в разных концах планеты. Известно, что над этим прибором работают не только европейцы, а и все 20 стран – официальных участниц CERN, всего же порядка 35 стран. Теоретически для обеспечения работы БАК существовала альтернатива GRID – расширение собственных вычислительных ресурсов компьютерного центра CERN. Но тех ресурсов, что были на момент постановки задачи, было совершенно недостаточно для моделирования работы ускорителя, хранения информации его экспериментов и ее научной обработки. Поэтому компьютерный центр нужно было бы очень значительно перестраивать и модернизировать, закупать больше компьютеров и средств для хранения данных. Но это бы означало, что все финансирование будет сосредоточено в CERN. Это было не очень приемлемо для стран, находящихся далеко от CERN. Конечно, они не были заинтересованы в спонсировании ресурсов, которыми очень сложно будет воспользоваться и скорее склонны были наращивать свой вычислительный, машинный потенциал. Поэтому родилась идея использовать ресурсы там, где они находятся.

Не пытаться все сосредоточить в одном месте, а объединить то, что уже есть в разных уголках планеты.

“Перевернет современную физику”. Что увидели на Большом адронном коллайдере

https://ria.ru/20211026/kollayder-1756184450.html

“Перевернет современную физику”. Что увидели на Большом адронном коллайдере

“Перевернет современную физику”. Что увидели на Большом адронном коллайдере – РИА Новости, 26.10.2021

“Перевернет современную физику”. Что увидели на Большом адронном коллайдере

В 2017-м ученые, участвующие в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, сообщили об отклонении от Стандартной модели при распаде B-мезонов. .. РИА Новости, 26.10.2021

2021-10-26T08:00

2021-10-26T08:00

2021-10-26T07:51

наука

объединенный институт ядерных исследований

большой адронный коллайдер

физика

европейская организация ядерных исследований (церн)

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/19/1756183509_0:257:2730:1793_1920x0_80_0_0_5378f4511192016db21d12a2a6d93b69.jpg

МОСКВА, 26 окт — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. В 2017-м ученые, участвующие в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, сообщили об отклонении от Стандартной модели при распаде B-мезонов. Физики всего мира замерли в ожидании открытия новой элементарной частицы или ранее неизвестной силы природы. Но для начала нужно было провести дополнительные опыты и перепроверить расчеты. Наконец исследователи из коллаборации LHCb представили полные данные. Есть ли там что-то, не укладывающееся в общепринятые представления о строении материального мира, — в материале РИА Новости. Физические силы и Стандартная модельДостоверно известны четыре фундаментальные типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Эти силы природы управляют всем во Вселенной, от микромира до галактик.Стандартная модель описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие элементарных частиц. Это самая подтвержденная теория, хотя не учитывает гравитацию, а также не охватывает темную энергию и материю.В Стандартной модели есть два вида частиц: фермионы, образующие строительные блоки материи, и бозоны, управляющие взаимодействиями и заставляющие фермионы собираться вместе или, наоборот, разлетаться в разные стороны. На этом основаны все природные процессы — от ядерного распада до преломления света, включая химические реакции.Кварки, из которых построены протоны и нейтроны, — это фермионы. Они бывают шести видов, или, как говорят физики, “ароматов”. Каждому соответствует античастица с противоположными квантовыми числами. Мезоны — это нестабильные частицы из равного числа кварков и антикварков. Кроме того, к фермионам относятся лептоны: электроны, мюоны, тау-лептоны, а также нейтрино.Изучая кварки, физики выяснили, что они группируются в три поколения, различающиеся только массой. Так же ведут себя лептоны.Загадка прелестных кварковДля экспериментального подтверждения Стандартной модели и возможного ее расширения в европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве построили крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц — Большой адронный коллайдер (БАК). Главную задачу он выполнил, когда в 2012-м там обнаружили бозон Хиггса, но работа продолжается. Разные группы ученых, или коллаборации, параллельно проводят на БАК несколько долгосрочных экспериментов. Один из них, LHCb, посвящен исследованиям асимметрии b-кварков (от английского beauty — прелестный) — тяжелых кварков третьего поколения. Основной вопрос — есть ли различия во взаимодействиях между кварками и лептонами разных поколений.Прелестные кварки, как и B-мезоны, более тяжелые частицы, нестабильны — в среднем живут около полутора триллионных долей секунды, прежде чем распасться на электроны и мюоны. Стандартная модель предполагает, что в этом не участвуют никакие другие силы, кроме слабых, а в результате должно образоваться равное количество электронов и мюонов. Это и решили проверить участники LHCb.”До сих пор все взаимодействия между лептонами разных поколений были совершенно универсальными. И вдруг мы увидели какие-то указания на аномалии в распадах кварков третьего поколения на лептоны первого и второго поколения”, — объясняет один из участников эксперимента LHCb, доктор физико-математических наук Андрей Голутвин.”Электрон принадлежит первому поколению лептонов, а более тяжелый мюон — ко второму, — комментирует старший научный сотрудник лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований, кандидат физико-математических наук Игорь Бойко, тоже работавший на Большом адронном коллайдере. — Стандартная модель постулирует, что у частиц разных поколений одинаковая сила взаимодействия, упрощенно говоря, заряд и отличаются они только массой. Если выявят различия между поколениями частиц, это полностью перевернет всю современную физику, придется создавать совершенно новую теорию на смену Стандартной модели”. Ученые надеются, что движение в этом направлении поможет ответить на так называемые большие вопросы современной физики: из чего состоит темная материя и в чем причина нарушения равновесия между материей и антиматерией.Когда точность имеет значениеПервые данные, указывающие на разное количество электронов и мюонов, образующихся при распаде B-мезонов, появились в 2017-м, но точность оценки на тот момент была примерно на уровне 2,5 сигмы, то есть вероятность ошибки составляла почти один процент, что не позволяло говорить об открытии.”В физике очень жесткие критерии. Открытие — это если больше пяти сигм, вероятность ошибки — менее одной трехмиллионной доли процента. До тех пор осторожно говорят “получено указание”, — отмечает Бойко.Эксперимент LHCb продолжили и в марте этого года опубликовали более определенные данные. Проанализировав триллионы столкновений, подсчитали, что мюоны образуются при распаде b-кварков реже, чем электроны, — примерно 0,85 к одному.В этот раз точность была три сигмы, и вероятность ошибки снизилась, соответственно, до 0,3 процента. Все равно этого недостаточно для открытия. К тому же речь шла об ограниченном массиве наблюдений.Теперь представили полную статистику. Но тех, кто ждал опровержения Стандартной модели, постигло разочарование. Расчеты показали, что распады с образованием мюонов происходили примерно на 70 процентов чаще, чем электронов, однако при точности всего в полторы сигмы. Итоговые значения оказались посредине между ранее наблюдавшимися отклонениями и предсказаниями Стандартной модели. То есть нарушение универсальности лептонов ни подтверждено, ни опровергнуто.Чтобы поставить точку в этом вопросе, нужно продолжать наблюдения, считают ученые. Сейчас эксперимент LHCb модернизируют. Скоро исследователи смогут регистрировать столкновения, происходящие с гораздо большей скоростью, что повысит точность измерений.Новая сила или новая частицаДаже если предположить, что результат подтвердится, это не означает, что Стандартная модель неверна. Объяснить наблюдаемый эффект можно включением в нее некой пятой силы, по-разному действующей на электроны и мюоны, или новой, неизвестной пока частицы. “Есть модели, которые предсказывают новый класс частиц — лептокварков, которые нарушают симметрию между электронами и мюонами, но для их обнаружения нужен другой класс экспериментов. Если мы их увидим, возможно, найдем ответы на большие вопросы о темной материи и антиматерии”, — говорит Андрей Голутвин.Гипотеза лептокварков — частиц, за счет обмена которыми кварки и лептоны могут взаимодействовать и переходить друг в друга, по мнению ученого, вполне имеет право на существование. Ранее, когда обнаружили нарушение универсальности для нейтрино разных поколений, физики для объяснения осцилляций — взаимных переходов нейтрино разных поколений — также предложили искать новую частицу — стерильные нейтрино. Пока не нашли.

https://ria.ru/20201112/kvarki-1584291076.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected] ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/19/1756183509_0:0:2730:2048_1920x0_80_0_0_0a9cd98ecd73319f9f3dfc92a60d768f.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

объединенный институт ядерных исследований, большой адронный коллайдер, физика, европейская организация ядерных исследований (церн)

МОСКВА, 26 окт — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. В 2017-м ученые, участвующие в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, сообщили об отклонении от Стандартной модели при распаде B-мезонов. Физики всего мира замерли в ожидании открытия новой элементарной частицы или ранее неизвестной силы природы. Но для начала нужно было провести дополнительные опыты и перепроверить расчеты. Наконец исследователи из коллаборации LHCb представили полные данные. Есть ли там что-то, не укладывающееся в общепринятые представления о строении материального мира, — в материале РИА Новости.

Физические силы и Стандартная модель

Достоверно известны четыре фундаментальные типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Эти силы природы управляют всем во Вселенной, от микромира до галактик.

Стандартная модель описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие элементарных частиц. Это самая подтвержденная теория, хотя не учитывает гравитацию, а также не охватывает темную энергию и материю.

В Стандартной модели есть два вида частиц: фермионы, образующие строительные блоки материи, и бозоны, управляющие взаимодействиями и заставляющие фермионы собираться вместе или, наоборот, разлетаться в разные стороны. На этом основаны все природные процессы — от ядерного распада до преломления света, включая химические реакции.

Кварки, из которых построены протоны и нейтроны, — это фермионы. Они бывают шести видов, или, как говорят физики, “ароматов”. Каждому соответствует античастица с противоположными квантовыми числами. Мезоны — это нестабильные частицы из равного числа кварков и антикварков. Кроме того, к фермионам относятся лептоны: электроны, мюоны, тау-лептоны, а также нейтрино.

Изучая кварки, физики выяснили, что они группируются в три поколения, различающиеся только массой. Так же ведут себя лептоны.

Загадка прелестных кварков

Для экспериментального подтверждения Стандартной модели и возможного ее расширения в европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве построили крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц — Большой адронный коллайдер (БАК). Главную задачу он выполнил, когда в 2012-м там обнаружили бозон Хиггса, но работа продолжается. Разные группы ученых, или коллаборации, параллельно проводят на БАК несколько долгосрочных экспериментов. Один из них, LHCb, посвящен исследованиям асимметрии b-кварков (от английского beauty — прелестный) — тяжелых кварков третьего поколения. Основной вопрос — есть ли различия во взаимодействиях между кварками и лептонами разных поколений.

Прелестные кварки, как и B-мезоны, более тяжелые частицы, нестабильны — в среднем живут около полутора триллионных долей секунды, прежде чем распасться на электроны и мюоны. Стандартная модель предполагает, что в этом не участвуют никакие другие силы, кроме слабых, а в результате должно образоваться равное количество электронов и мюонов. Это и решили проверить участники LHCb.

“До сих пор все взаимодействия между лептонами разных поколений были совершенно универсальными. И вдруг мы увидели какие-то указания на аномалии в распадах кварков третьего поколения на лептоны первого и второго поколения”, — объясняет один из участников эксперимента LHCb, доктор физико-математических наук Андрей Голутвин.

“Электрон принадлежит первому поколению лептонов, а более тяжелый мюон — ко второму, — комментирует старший научный сотрудник лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований, кандидат физико-математических наук Игорь Бойко, тоже работавший на Большом адронном коллайдере. — Стандартная модель постулирует, что у частиц разных поколений одинаковая сила взаимодействия, упрощенно говоря, заряд и отличаются они только массой. Если выявят различия между поколениями частиц, это полностью перевернет всю современную физику, придется создавать совершенно новую теорию на смену Стандартной модели”.

Ученые надеются, что движение в этом направлении поможет ответить на так называемые большие вопросы современной физики: из чего состоит темная материя и в чем причина нарушения равновесия между материей и антиматерией.

Когда точность имеет значение

Первые данные, указывающие на разное количество электронов и мюонов, образующихся при распаде B-мезонов, появились в 2017-м, но точность оценки на тот момент была примерно на уровне 2,5 сигмы, то есть вероятность ошибки составляла почти один процент, что не позволяло говорить об открытии.

“В физике очень жесткие критерии. Открытие — это если больше пяти сигм, вероятность ошибки — менее одной трехмиллионной доли процента. До тех пор осторожно говорят “получено указание”, — отмечает Бойко.

Эксперимент LHCb продолжили и в марте этого года опубликовали более определенные данные. Проанализировав триллионы столкновений, подсчитали, что мюоны образуются при распаде b-кварков реже, чем электроны, — примерно 0,85 к одному.

В этот раз точность была три сигмы, и вероятность ошибки снизилась, соответственно, до 0,3 процента. Все равно этого недостаточно для открытия. К тому же речь шла об ограниченном массиве наблюдений.

Теперь представили полную статистику. Но тех, кто ждал опровержения Стандартной модели, постигло разочарование. Расчеты показали, что распады с образованием мюонов происходили примерно на 70 процентов чаще, чем электронов, однако при точности всего в полторы сигмы. Итоговые значения оказались посредине между ранее наблюдавшимися отклонениями и предсказаниями Стандартной модели. То есть нарушение универсальности лептонов ни подтверждено, ни опровергнуто.

Чтобы поставить точку в этом вопросе, нужно продолжать наблюдения, считают ученые. Сейчас эксперимент LHCb модернизируют. Скоро исследователи смогут регистрировать столкновения, происходящие с гораздо большей скоростью, что повысит точность измерений.

Новая сила или новая частица

Даже если предположить, что результат подтвердится, это не означает, что Стандартная модель неверна. Объяснить наблюдаемый эффект можно включением в нее некой пятой силы, по-разному действующей на электроны и мюоны, или новой, неизвестной пока частицы.

“Есть модели, которые предсказывают новый класс частиц — лептокварков, которые нарушают симметрию между электронами и мюонами, но для их обнаружения нужен другой класс экспериментов. Если мы их увидим, возможно, найдем ответы на большие вопросы о темной материи и антиматерии”, — говорит Андрей Голутвин.

Гипотеза лептокварков — частиц, за счет обмена которыми кварки и лептоны могут взаимодействовать и переходить друг в друга, по мнению ученого, вполне имеет право на существование. Ранее, когда обнаружили нарушение универсальности для нейтрино разных поколений, физики для объяснения осцилляций — взаимных переходов нейтрино разных поколений — также предложили искать новую частицу — стерильные нейтрино. Пока не нашли.

12 ноября 2020, 14:37НаукаВ ЦЕРНе впервые наблюдали частицу, состоящую из четырех кварков

Зачем нам нужен Большой коллайдер. Ирина Шрайбер. Лекторий. Прямая речь.

А вы знаете, сколько экспериментов идет в эту минуту на Большом адронном коллайдере? Неужели прямо сейчас там по огромной трубе несутся загадочные маленькие частицы? Можно ли их поймать?

Ирина Шрайбер работает в ЦЕРНе — крупнейшей в мире лаборатории, где изучают ядерную физику. И рассказывает о своей работе так понятно и увлекательно, что многие юные слушатели загораются желанием стать физиками. И уж совершенно точно — интерес к науке гарантирован!

На лекции вам представится уникальный шанс из первых рук узнать подробности о работе БАК:

— для чего построили 27 км коллайдера, если там изучают такие крошечные частицы;

— можно ли засунуть в ускоритель частиц руку или голову;

— зачем нам знать про бозон Хиггса и как он связан с весом человека;

— есть ли в России проекты, подобные БАК;

— как попасть в ЦЕРН и что еще осталось нераскрытым в ядерной физике.

«В Европейском центре ядерных исследований, где я работаю, ученые исследуют тайны Вселенной и пытаются понять, откуда она взялась и что ее ждет. А еще физики изобрели самую большую машину времени, которая могла когда-либо существовать! Не верите? Приходите на лекцию и сами убедитесь! Вы увидите, что наука — это нестрашно и очень круто!» — обещает доктор Шрайбер.

Ирина Шрайбер — доктор физико-математических наук, ученый, исследователь, лектор. Научный сотрудник Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, Женева). В разные годы участник международных научных объединений CDF (Фермилаб, США), CMS и ATLAS (ЦЕРН, Швейцария). Ментор Школы научного лидерства Западно-Сибирского научно-образовательного центра.

Информация о мероприятии:

Рекомендуемый возраст: 7+

Примерная продолжительность: 1 час 15 минут

На каждого взрослого и каждого ребенка приобретается отдельный билет.

Большой адронный коллайдер маловат – физики ЦЕРНа хотят побольше.

Но что он даст?
  • Михаил Смотряев
  • Би-би-си

Приложение Русской службы BBC News доступно для IOS и Android. Вы можете также подписаться на наш канал в Telegram.

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

Так может выглядеть новый ускоритель

Европейской организации по ядерным исследованиям (более известной как ЦЕРН) не хватает мощности Большого адронного коллайдера (БАК). Ученые хотят новый – в четыре раза больше.

Организация обнародовала свои планы по строительству нового ускорителя под рабочим названием “Будущий циклический коллайдер” (Future Circular Collider).

Предполагается, что он будет построен к 2050 году, будет почти вчетверо больше и в 10 раз мощнее БАК, но главное – его заявленная на этом этапе стоимость превышает 20 млрд евро.

Генеральный директор ЦЕРНа профессор Фабиола Джианотти назвала проект значительным достижением. По ее словам, у нового коллайдера есть огромный потенциал улучшить наше понимание фундаментальной физики и придать толчок многим технологиям. Все это должно благотворно сказаться на жизни общества в целом, полагает она.

Критики, в свою очередь, настаивают на том, что столь внушительную сумму можно потратить на другие проекты – например, на изучение различных аспектов изменений климата.

Планов громадье

Пока планы ЦЕРНа существуют в концептуальной форме.

Предполагается, что под уже существующим 20-километровым туннелем будет вырыт новый, в итоге достигающий длины в 100 км, в котором и разместится новый ускоритель.

Проект строительства нового коллайдера, наряду с другими планами физиков-теоретиков, будет рассмотрен международной комиссией экспертов. Они должны выработать новую стратегию изучения физики частиц к 2020 году.

Один из этих экспертов, профессор Университетского колледжа Лондона Джон Баттерворт сказал Би-би-си, что амбициозная программа строительства нового коллайдера ему особенно нравится – хотя он готов рассматривать и другие предложения.

Если расчеты ученых верны, то будущий ускоритель позволит разгонять частицы до более высоких скоростей. Как следствие энергия, выделяющаяся при их столкновении, будет почти на порядок выше, чем достигается сегодня в Большом адронном коллайдере.

Физики надеются, что таким образом смогут докопаться до новых, по-настоящему элементарных частиц, которые и движут нашей Вселенной.

Трудности стандартизации

Так называемая Стандартная модель – нынешняя теория взаимодействия субатомных частиц, над созданием и усовершенствованием которой физики трудились большую часть прошлого столетия, – объединяет 17 частиц, последняя из которых, бозон Хиггса, была обнаружена в 2012 году на БАКе (хотя теоретически ее существование было предсказано задолго до этого).

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

Инженеры ЦЕРНа уже конструируют и тестируют новые компоненты, способные работать на более высоких энергиях

Стандартная модель непротиворечиво описывает многие происходящие в мире процессы, однако оказалась не в состоянии объяснить природу гравитации.

Более того, достижения астрофизики последних лет поставили новые вопросы.

Оказалось, что галактики вращаются быстрее, чем предсказывает Стандартная модель, а Вселенная, по-видимому, расширяется со все большей скоростью – хотя в теории должно быть наоборот.

Для объяснения этих феноменов были привлечены новые понятия: “темная материя” и “темная энергия”, однако что это такое, точно никто не знает.

Современная физика покоится на двух столпах: общая теория относительности и квантовая механика. Первая хорошо объясняет события в макромире, вторая – в мире элементарных частиц.

Объединить их и создать “общую теорию всего” физики пытаются не первый год. Предполагается, что новый, более мощный ускоритель может обнаружить необходимые для этого новые частицы, чего не удалось добиться на БАКе.

Однако никто в ЦЕРНе не знает, какого порядка энергии для этого нужны, и сможет ли новый коллайдер разгонять протоны до такой скорости, чтобы их столкновение производило на свет “истинно элементарные” частицы.

Авторы проекта полагают, что предложенная ими схема последовательных столкновений – сначала электрон-позитронных пар, а затем электронов и протонов, – даст возможность по косвенным признакам предсказать уровень энергии, необходимый для обнаружения новых “суперчастиц”.

Проблема в том, что нечто похожее ожидали и от Большого адронного коллайдера – возможно, благодаря окружавшей его работу шумихе в СМИ. Однако за рамки Стандартной модели эксперименты на БАКе выйти не смогли.

Что нужнее человечеству?

У непосвященных может сложиться впечатление, что физики просят себе новую и очень дорогую игрушку для удовлетворения своего любопытства, бесконечного, как и Вселенная, которую они пытаются разложить на формулы.

Например, бывший главный научный советник правительства Великобритании профессор сэр Дэвид Кинг полагает, что настало время переосмыслить соотношение “цена-качество” в экспериментальной физике частиц, особенно, когда никто из ученых не может гарантировать, что новый ускоритель за 22 млрд евро сможет обнаружить новые частицы.

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

В ЦЕРНе разрабатывают новые магниты, способные удержать пучки высокоэнергичных частиц на круговой траектории

“Надо где-то провести черту, иначе мы построим коллайдер по экватору. А если этого будет недостаточно, физики попросят другой, достающий до Луны”, – сказал Кинг в интервью Би-би-си.

Профессор Кинг (и не он один) полагает, что у человечества сегодня есть более насущные заботы, в частности, климатические изменения, и 20 миллиардов фунтов не помешали бы в исследовании его последствий и механизмов борьбы с глобальным потеплением.

Далеко не лишними эти деньги оказались бы и в медицинских исследованиях.

Тогда и у скептиков было бы меньше оснований задавать вопрос: “Что ваши исследования сделали для блага человечества?”

Собственно, и среди физиков-теоретиков нет единого мнения по вопросу о необходимости нового ускорителя.

Например, Сабина Хоссенфельдер из Франкфуртского института перспективных исследований считает, что на эти деньги можно было бы построить крупный радиотелескоп на Луне или детектор гравитационных волн на Земле.

Бозоника на смену электронике?

Доктор Фредерик Бордри, директор ЦЕРНа по ускорителям и технологиям, полагает, что требуемая для проекта сумма, поделенная между несколькими странами, да еще на временном отрезке в 20-30 лет – вполне разумная цена для столь передового проекта.

“Когда меня спрашивают, что даст людям бозон Хиггса, я отвечаю: “бозонику”, – говорит он. – Что это такое, я не знаю. Но вспомните, что когда в 1897 году Томсон открыл электрон, он тоже не знал, что такое электроника. Но представить современный мир без нее невозможно”.

Вполне вероятно, что результаты экспериментов в новом ускорителе тоже окажутся столь же полезны человечеству. Мы просто еще не знаем, как и, главное, когда.

Что такое электронный коллайдер. Зачем нужен адронный коллайдер? Что такое коллайдер в цифрах

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.

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

  • Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

  • Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

  • Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

  • Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

  • Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т. к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
  • Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
  • Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
  • Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

В рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

  • LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

  • TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

  • Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
  • Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

  • Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
  • Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
  • Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
  • Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии — ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

  • В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
  • В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.

Ею является поиск путей объединения двух фундаментальных теорий – ОТО (о гравитационном ) и СМ (стандартной модели, объединяющей три фундаментальных физических взаимодействия – электромагнитного, сильного и слабого). Нахождению решения до создания БАКа препятствовали трудности при создании теории квантовой гравитации.

Построение этой гипотезы включает в себя соединение двух физических теорий – квантовой механики и общей теории относительности.

Для этого были использованы сразу несколько популярных и нужных в современной подходов – струнная теория, теория бран, теория супергравитации, а также теория квантовой гравитации. До построения колайдера главной проблемой проведения необходимых экспериментов являлось отсутствие энергии, которую нельзя достичь на других современных ускорителях заряженных частиц.

Женевский БАК дал ученым возможность проведения ранее неосуществимых экспериментов. Считается, что уже в скором будущем при помощи аппарата будут подтверждены или опровергнуты многие физические теории. Одной из самых проблемных является суперсимметрия или теория струн, которая долгое время разделяла физическое на два лагеря – «струнщиков» и их соперников.

Другие фундаментальные эксперименты, проводимые в рамках работы БАК

Интересны и изыскания ученых в области изучения топ- , являющихся самыми кварками и наиболее тяжелыми (173,1 ± 1,3 ГэВ/c²) из всех известных в настоящее время элементарных частиц.

Из-за этого свойства и до создания БАКа, ученые могли наблюдать кварки только на ускорителе «Тэватрон», так как прочие устройства просто не обладали достаточной мощностью и энергией. В свою очередь, теория кварков представляет собой важный элемент нашумевшей гипотезы о бозоне Хиггса.

Все научные изыскания по созданию и изучению свойств кварков ученые производят в топ-кварк-антикварковой паровой в БАКе.

Важной целью женевского проекта также является процесс изучения механизма электрослабой симметрии, которая также связана с экспериментальным доказательством существования бозона Хиггса. Если обозначить проблематику еще точнее, то предметом изучения является не столько сам бозон, сколько предсказанный Питером Хиггсом механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.

В рамках БАКа также проводятся эксперименты по поиску суперсимметрии – причем желаемым результатом станет и доказательство теории о том, что любая элементарная частица всегда сопровождается более тяжелым партнером, и ее опровержение.

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.

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

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

Амбициозный проект человечества

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

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

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

Зачем нужен большой адронный коллайдер

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

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

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

Бозон Хиггса

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

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

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

Как он работает

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

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

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

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

Цель оправдывает средства

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

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

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

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

Вопросы, на которые не отвечают

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

Опасения научных коллег

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

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

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

Информационная диктатура

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

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

Что такое адронный коллайдер и для чего он создавался? — Пермский информационный портал – 59i.ru

Несколько лет назад умы многих будоражила мысль об опасности большого адронного коллайдера. Но многие до сих пор не знают что это за устройство и для чего было создано. Довольно много шума надело сообщение журналистов о том, что в устройстве может произойти взрыв, который может создать черную дыру и привести к гибели всего человечества. По другим слухам, планировалось создание антиматерии, которая была бы очень нестабильной и также могла бы привести к взрыву.  Так зачем нужен адронный коллайдер и что он из себя представляет читайте ниже.

БАК или большой адронный коллайдер – это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов и изучения продуктов их соударения. Устройство представляет собой кольцеобразный тоннель на подобие трубы для разгона частиц, только намного большего размера. Построили его в ЦЕРНе, европейском совете ядерных исследований, на территории Франции и Швейцарии. БАК находится на глубине более 100 метров. В его разработке и создании участвуют ученые со всего мира. На данный момент БАК – не единственный ускоритель частиц в мире. Подобные механизмы уже построены во многих странах, правда не такого внушительного размера.

Большой адронный коллайдер позволяет сталкивать пучки частиц на огромных скоростях и наблюдать их дальнейшее поведение и взаимодействие, которые фиксируются с помощью специальных устройств. Для того, чтобы удержать частицы внутри, используются сильнейшие магниты.

Изначально устройство предназначалось для того, чтобы найти бозон Хиггса- частицы, которые наделяют другие частицы массой.  Второй целью было изучение кварков, частиц из которых состоят адроны.

Если ученым вполне хватало такого объяснения, то после того, как СМИ начали описывать этот проект огромное количество людей начали задумываться о дороговизне и опасности прибора. Все же ради нахождения кварка таких средств вкладывать бы не стали. Ученые заверяют, что открытие бозона Хиггса полностью окупит постройку коллайдера, так как это станет возможностью внести в технический прогресс уйму новшеств.

Но все таки зачем создавать адронный коллайдер? Бозон Хиггса, как одно из последующих открытий должен привести человечество к удивительному прогрессу. Всем известно, что масса- это энергия в состоянии покоя. А если при помощи новых открытий появится возможность преобразовывать массу в энергию, то энергетические проблемы канут в Лету, а следовательно начнется возможное освоение новых планет и таких уголков космоса, представления о которых мы ранее не имели.

Изучение же кварков позволило бы человечеству познать законы гравитации и подчинить их себе. Но это ожидается позднее, так как изучение гравитонов еще очень плохо развито. Ну а контролировать устройство изменяющее гравитацию пока еще невозможно.

Однако, есть еще и третья теория, согласно которой адронный коллайдер был создан для подробного изучения М-теории или “теории всего”. Она заключается в том, что мир состоит из 11 измерений. А поняв ее, возможно человечество сможет путешествовать между измерениями.

В целом, ученые сами не могут ответить на вопрос для чего еще нужен коллайдер. Хоть он и  был создан не только для изучения уже упомянутых аспектов, но и для подтверждения или опровержения прочих экзотических теорий. Хотя неизвестно еще, чем все это грозит цивилизации.

Согласно новостям от 4 июля 2012 года, ученым удалось обнаружить бозон Хиггса. Хотя, его свойства несколько отличаются от теорий ученых. Но по крайней мере, теперь это не миф. В настоящее время коллайдер выключен и находится на модернизации. Но к концу этого года планируется очередной запуск уже обновленного устройства.

Где находится андроидный коллайдер. Что такое 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.

Новость о проводимом в Европе эксперименте сколыхнула общественное спокойствие, поднявшись на первые позиции списка обсуждаемых тем. Адронный коллайдер засветился всюду – на ТВ, в прессе и интернете. Что уж говорить, если жж-юзеры создают отдельные сообщества, где уже сотни неранодушных активно высказали свое мнения по поводу нового детища науки. «Дело» предлагает вам 10 фактов, которые нельзя не знать об адронном коллайдере .

Таинственное научное словосочетание перестает быть таковым, как только мы разберемся со значенем каждого из слов. Адрон – название класса элементарных частиц. Коллайдер – специальный ускоритель, с помощью которого возможно передать элементарным частицам вещества высокую энергию и, разогнав до высочайшей скорости, воспроизвести их столкновение друг с другом.

2. Почему о нем все говорят?

По мнению ученых Европейского центра ядерных исследований CERN, эксперимент позволит воспроизвести в миниатюре взрыв, в результате которого миллиарды лет назад образовалась Вселенная. Однако больше всего общественность волнует то, какими будут последствия мини-взрыва для планеты в случае неудачного исхода эксперимента. По мнению некоторых ученых, в результате сталкивания элементарных частиц, летящих с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях, образуются микроскопические черные дыры, а также вылетят другие опасные частицы. Полагаться же на специальное излучение, приводящее к испарению черных дыр особо не стоит – экспериментальных подтверждений тому, что оно работает, нет. Потому-то к такой научной инновации и возникает недоверие, активно подогреваемое скептически настроенными учеными.

3. Как работает эта штуковина?

Элементарные частицы разгоняются на разных орбитах в противоположных направлениях, после чего помещаются на одну орбиту. Ценность замысловатого устройства в том, что благодаря ему ученые получают возможность исследовать продукты столкновения элементарных частиц, фиксируемые специальными детекторами в виде цифровых фотокамеры с разрешением в 150 мегапикселей, способных делать 600 миллионов кадров в секунду.

4. Когда появилась идея создать коллайдер?

Идея строительства машины родилась еще в 1984 году, однако строительство туннеля началось только в 2001 году. Ускоритель расположен в том же туннеле, где прежде находился предыдущий ускоритель – Большой электрон-позитронный коллайдер. 26,7 – километровое кольцо проложено на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. 10 сентября в ускорителе был запущен первый пучок протонов. В ближайшие несколько дней будет запущен второй пучок.

5. Во сколько обошлось строительство?

В разработке проекта участвовали сотни ученых всего мира, в том числе и российские. Его стоимость оценивается в 10 миллиардов долларов, из них 531 миллион в строительство адронного коллайдера вложили США.

6. Какой вклад внесла Украина в создание ускорителя?

Ученые украинского Института теоретической физики приняли непосредственное участие в построении андронного коллайдера. Специально для исследований ими была разработана внутренняя трековая система (ITS). Она является сердцем «Алисы» — части коллайдера , где должен произойти миниатюрный «большой взрыв». Очевидно, весьма не последняя по значимости деталь машины. Украина должна ежегодно выплачивать 200 тысяч гривен за право участия в проекте. Это в 500-1000 раз меньше взносов в проект других стран.

7. Когда ждать конца света?

Первый эксперимент по столкновению пучков элементарных частиц намечен на 21 октября. До этого времени ученые планируют разогнать частицы до скорости, приблеженной к скорости света. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры нам не грозят. Однако в случае, если теории с дополнительными пространственными измерениями окажутся верны, у нас осталось не очень много времени, чтоб успеть решить все свои вопросы на планете Земля.

8. Чем страшны черные дыры?

Чёрная дыра – область в пространстве-времени, сила гравитационного притяжения которой настолько сильна, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут ее покинуть. Существования черных дыр подтверждается решениями уравнений Эйнштейна. Не смотря на то, многие уже представляют себе, как образовавшаяся в Европе черная дыра, разрастаясь, поглотит всю планету, бить тревогу не стоит. Черные дыры , которые, согласно некоторым теориям, могут появиться при работе коллайдера , согласно все тем же теориям, будут существовать на протяжении настолько короткого отрезка времени, что просто не успеют начать процесс поглощения материи. По утверждениям некоторых ученых, они даже не успеют долететь до стенок коллайдера.

9. Чем могут быть полезны исследования?

Помимо того, что данные исследования – очередное невероятное достижения науки, которое позволит человечеству узнать состав элементарных частиц, это еще не весь выигрыш, ради которого человечество пошло на такой риск. Возможно, в скором будущем мы с вами сможем воочию увидеть динозавров и обсудить наиболее эффективные военные стратегии с Наполеоном. Российские ученые полагают, что в результате эксперимента человечеству станет посильным создание машины времени.

10. Как произвести впечатление научно подкованного человека с помощью адронного коллайдера?

Ну и наконец, если кто-либо, заранее вооружившись ответом, спросит у вас, что же это такое адронный коллайдер, предлагаем вам достойный вариант ответа, способного приятно удивить любого. Итак, пристегнули ремни! Адронный коллайдер – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов на встречных пучках. Построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований и представляет собой 27-километровый туннель, проложенный на глубине 100 метров. В связи с тем, что протоны электрически заряжены, ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Они могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. Ученые побаиваются, что в результате эксперимента могут образоваться пространственно-временны́е «туннели» в пространстве, которые являются типологической особенностью пространства-времени. В результате эксперимента также может быть доказано существование суперсимметрии, которая, таким образом, станет косвенным подтверждением истинности теории суперструн.

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

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

Амбициозный проект человечества

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

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

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

Зачем нужен большой адронный коллайдер

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

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

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

Бозон Хиггса

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

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

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

Как он работает

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

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

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

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

Цель оправдывает средства

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

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

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

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

Вопросы, на которые не отвечают

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

Опасения научных коллег

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

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

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

Информационная диктатура

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

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

Принцип работы Большого адронного коллайдера

Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использовались ранее в других ускорителях ЦЕРН.

Большой адронный коллайдер – ускоритель протонов, построенный на территории Швейцарии и Франции, не имеет аналогов в мире. Эта кольцевая конструкция протяженностью 27 км сооружена на 100-метровой глубине.

В ней с помощью 120 мощных электромагнитов при температуре, близкой к абсолютному нулю – минус 271,3 градуса по Цельсию, предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9 процентов) встречные пучки протонов. Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит протонам сталкиваться. Направлять частицы будут несколько тысяч сверхпроводящих магнитов. Когда энергии будет достаточно, частицы столкнутся, тем самым учёные создадут модель Большого взрыва. Тысячи датчиков будут фиксировать моменты столкновения. Последствия столкновения протонов и станет главным предметом изучения мира. [ http://dipland.ru /Кибернетика/Большой_андронный_коллайдер_92988]

Технические характеристики

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тера электронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109электронвольт) 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).

Детекторы

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

LHCf (The Large Hadron Collider forward)

MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

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.

Детектор CMS

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.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 М Вт . Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера – 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты – около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева . Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы .[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]

Возможно, через какие-то несколько лет интернет уступит место новой, более глубокой интеграции удаленных компьютеров, позволяющей не только удаленно передавать информацию, локализованную в разных концах света, но и автоматически использовать удаленные вычислительные ресурсы. В связи с запуском Большого адронного коллайдера CERN уже несколько лет работает над созданием такой сети.

То, что интернет (или то, что обозначается термином web) был изобретен в Европейской организации ядерных исследований (CERN), давно уже стало хрестоматийным фактом. Вокруг таблички «В этих коридорах была создана всемирная сеть» в одном из обычных коридоров обычного здания CERN во время дня открытых дверей всегда толпятся зеваки. Сейчас интернет используют для своих практических нужд люди по всему миру, а изначально он был создан для того, чтобы ученые, работающие на одном проекте, но находящиеся в разных концах планеты, могли общаться между собой, делиться данными, публиковать информацию, к которой можно было бы получить доступ удаленно.

Разрабатываемая в CERN система GRID (по-английски grid – решётка, сеть ) – это еще один шаг вперед, новая ступень интеграции пользователей компьютеров.

Он дает не только возможность публиковать данные, которые находятся где-то в другой точке планеты, но и использовать удаленные машинные ресурсы, не сходя со своего места.

Конечно, обычные компьютеры не играют особой роли в обеспечении вычислительных мощностей, поэтому первый этап интеграции – это соединение мировых суперкомпьютерных центров.

Создание этой системы спровоцировал Большой адронный коллайдер. Хотя уже сейчас GRID используется для массы других задач, без коллайдера его бы не было, и наоборот, без GRID обработка результатов коллайдера невозможна.

Карта серверов GRID //

Люди, которые работают в коллаборациях БАК, находятся в разных концах планеты. Известно, что над этим прибором работают не только европейцы, а и все 20 стран – официальных участниц CERN, всего же порядка 35 стран. Теоретически для обеспечения работы БАК существовала альтернатива GRID – расширение собственных вычислительных ресурсов компьютерного центра CERN. Но тех ресурсов, что были на момент постановки задачи, было совершенно недостаточно для моделирования работы ускорителя, хранения информации его экспериментов и ее научной обработки. Поэтому компьютерный центр нужно было бы очень значительно перестраивать и модернизировать, закупать больше компьютеров и средств для хранения данных. Но это бы означало, что все финансирование будет сосредоточено в CERN. Это было не очень приемлемо для стран, находящихся далеко от CERN. Конечно, они не были заинтересованы в спонсировании ресурсов, которыми очень сложно будет воспользоваться и скорее склонны были наращивать свой вычислительный, машинный потенциал. Поэтому родилась идея использовать ресурсы там, где они находятся.

Не пытаться все сосредоточить в одном месте, а объединить то, что уже есть в разных уголках планеты.

В этом вопросе (и ему подобных) любопытно появление слов «на самом деле» – как будто есть некая скрытая от непосвящённых суть, охраняемая «жрецами науки» от обывателей, тайна, которую нужно раскрыть. Однако при взгляде изнутри науки тайна исчезает и места этим словам нет – вопрос «зачем нужен адронный коллайдер» ничем принципиально не отличается от вопроса «зачем нужна линейка (или весы, или часы и т.д.)». То, что коллайдер – штука большая, дорогая и по любым меркам сложная – дела не меняет.

Наиболее близкой аналогией, позволяющей понять, «зачем это нужно», является, на мой взгляд, линза. Человечество знакомо со свойствами линз с незапамятных времён, однако только в середине прошлого тысячелетия было понято, что определённые комбинации линз могут быть использованы как приборы, позволяющие рассматривать очень маленькие либо очень далёкие объекты – речь идёт, конечно, о микроскопе и телескопе. Нет никаких сомнений, что вопрос, зачем всё это нужно, неоднократно задавался при появлении этих новых для современников конструкций. Однако он снялся с повестки дня сам собой, по мере того, как ширились области научного и прикладного применения и того, и другого устройства. Заметим, что, вообще говоря, это разные приборы – рассматривать звёзды в перевёрнутый микроскоп не получится. Большой адронный коллайдер же, парадоксальным образом, объединяет их в себе, и может с полным основанием рассматриваться как высшая достигнутая человечеством точка эволюции как микроскопов, так и телескопов за прошедшие века. Это утверждение может показаться странным, и, разумеется, его не следует понимать буквально – в ускорителе нет линз (по крайней мере, оптических). Но по сути дела это именно так. В своей «микроскопной» ипостаси коллайдер позволяет изучать структуру и свойства объектов на уровне 10-19 метров (напомню, что размер атома водорода – примерно 10-10 метра). Ещё интереснее обстоит дело в «телескопной» части. Каждый телескоп – самая настоящая машина времени, так как наблюдаемая в нём картина соответствует тому, каким был объект наблюдения в прошлом, а именно то время назад, которое необходимо электромагнитному излучению, чтобы дойти от этого объекта до наблюдателя. Это время может составлять восемь с небольшим минут в случае наблюдения Солнца с Земли и до миллиардов лет при наблюдении далёких квазаров. Внутри Большого адронного коллайдера создаются условия, которые существовали во Вселенной через ничтожную долю секунды после Большого взрыва. Таким образом, мы получаем возможность заглянуть в прошлое почти на 14 миллиардов лет, к самому началу нашего мира. Обычные земные и орбитальные телескопы (по крайней мере, те, которые регистрируют электромагнитное излучение), обретают «зрение» лишь после эры рекомбинации, когда Вселенная стала оптически прозрачной – это произошло по современным представлениям через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

Дальше нам предстоит решать – что делать с этим знанием: как об устройстве материи на малых масштабах, так и об её свойствах при рождении Вселенной, и именно это в конечном итоге вернёт тайну, о которой шла речь в начале, и определит, зачем же коллайдер был нужен «на самом деле». Но это решение человека, коллайдер же, с помощью которого было получено это знание, останется всего лишь прибором – возможно, самой изощрённой системой «линз», которую когда-либо видел мир.

Почему туннель БАК такой большой? | Cern

Я только что зарегистрировался на встречу Европейской стратегической группы по физике элементарных частиц. Это годовое обсуждение планов, стремлений и вариантов на ближайшие несколько лет по теме 1 .

Среди рассматриваемых вопросов — вопрос о том, как мы могли бы продолжать исследовать границу высоких энергий в следующие десятилетия и какие машины нам могут понадобиться для этого.

Существует множество ограничений, с которыми необходимо справиться. Бюджет конечно один. Доступная или потенциально доступная технология — это другое. Но есть и некоторые очень простые физические ограничения.

Основные из них связаны с тем, почему Большой адронный коллайдер (БАК) такой большой. Его длина 27 км 2 . Строить длинный туннель очень дорого, так почему бы не сделать меньший?

На самом деле длина туннеля ограничивает энергию встречных лучей, причем по-разному в зависимости от того, какие частицы ускоряются.И все это сводится к законам движения Ньютона.

Частицы движутся по прямой линии с постоянной скоростью, если на них не действует сила; в этом случае они ускоряются, то есть меняют скорость или направление. Даже когда скорость луча в туннеле БАК постоянна, частицы все равно ускоряются, потому что направление их движения все время меняется. Они постоянно огибают изогнутый путь туннеля.

До того, как БАК был установлен в его 27-километровом туннеле на окраине Женевы, место занимала другая машина.Это был LEP – Большой электронно-позитронный коллайдер. Это было отключено в 2000 году, потому что он исследовал всю физику в пределах своей досягаемости и не мог больше увеличивать свою энергию. Причина, по которой он не мог подняться выше, заключалась в синхротронном излучении. Это энергия, излучаемая заряженными частицами при их ускорении. Фотоны разлетались, а электроны и позитроны с визгом летели по углам. Они уносили энергию. В каждый контур луча может быть закачано больше энергии, но в какой-то момент вы достигаете энергии, при которой столько энергии теряется в синхротронном излучении, сколько может быть введено ускорителем, и это ваша максимальная энергия столкновения.Леп врезался в стену.

Кроме того, синхротронное излучение может быть очень полезным для других целей. Например, алмазный источник света в кампусе Харвелла делает это специально, а излучаемые фотоны используются для изучения атомов, молекул, материалов и поверхностей. Все очень красиво и прекрасно, но это головная боль, если вам нужны встречные лучи высокой энергии.

В любом случае, здесь имеет значение размер туннеля. Большой 27-километровый туннель имеет довольно пологий изгиб. Если бы она была меньше, изгибы были бы острее, ускорение должно было бы быть больше, поэтому потери энергии на синхротронное излучение были бы больше, а максимальная энергия столкновения была бы ниже.Нужен большой туннель.

Итак, ЛЭП был демонтирован и установлен БАК. БАК может достигать более высоких энергий, потому что он сталкивается с протонами, а не с электронами и позитронами. Протоны примерно в 1800 раз тяжелее электронов и позитронов. Количество синхротронного излучения, испускаемого при ускорении частицы, очень сильно зависит от массы; она уменьшается, как и масса, в степени четыре. Таким образом, если масса в 1800 раз больше, потеря энергии на изгибах будет (1800 х 1800 х 1800 х 1800) или примерно в 11 триллионов раз меньше.

Это преимущество перевешивает тот запутанный факт, что протоны не являются элементарными частицами, а представляют собой наборы кварков и глюонов (что означает, что мы не можем использовать всю энергию, как я описал здесь). Полезная энергия столкновения, которую мы можем получить, равна все же выше, чем LEP, примерно в десять раз выше.

Но в какой-то момент мы упираемся в другую стену.

Помните Ньютона. Вещи движутся по прямой линии, если на них не действует сила. Особенно это касается очень быстро движущихся частиц.Попытка убедить наши протоны двигаться по кругу — тяжелая работа. Сила должна быть огромной. БАК делает это с помощью магнитов — больших сверхпроводящих магнитов — и ограничивающим фактором энергии БАК является сила этих магнитов. Или сколько электрического тока вы можете пропустить через них, чтобы создать это магнитное поле и согнуть протоны по кольцу.

По сути, это центростремительная сила. Представьте, что вы крутите кирпич вокруг головы на тонкой веревке. Если крутить слишком быстро, струна порвется.Протоны — это кирпич, струна — наши магниты. Мы очень, очень не хотим, чтобы они сломались (снова).

Вот, в конце концов, и помогает большой туннель. Нежные изгибы. Следовательно, для данной энергии пучка требуется меньше синхротронного излучения (которое ограничивает энергию электронов в LEP) и меньше силы (что в настоящее время ограничивает энергию протонов в LHC).

Стратегическая группа рассмотрит другие варианты.

Существуют конструкции линейных коллайдеров, которые решают проблему синхротронного излучения, будучи, ну, линейными.Никаких изгибов. Но только один выстрел, и они все еще должны быть очень, очень длинными, чтобы достичь достаточно высокой энергии, поскольку электроны проходят через ускоритель только один раз, а не пинаются каждый раз, когда они вращаются вокруг кольца.

Есть идеи столкнуть мюоны. Это тяжелые версии электронов, поэтому у них есть все преимущества электронов, но гораздо меньше синхротронного излучения (в 1,6 миллиарда раз меньше, так как они в 200 раз тяжелее электронов. Иди, разберись.) Одна проблема здесь в том, что они распадаются за 2 .2 микросекунды. Если вы можете ускорить их достаточно быстро, замедление времени поможет — время замедляется на высоких скоростях, и поэтому их время затухания намного больше. Но это сложно.

И это как раз о пограничной зоне высоких энергий. Есть много других вещей, на которые стоит обратить внимание…

1 Встреча, на которую я зарегистрировался, открыта для всех в Кракове. Но есть и другие, к которым я должен обратиться, поскольку я являюсь представителем Великобритании в группе, которая в конечном итоге подготовит отчет.

2 Для жителей Лондона это примерно такая же длина, как Кольцевая линия. Кстати, тоже желтый.

После Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, вот почему физик хочет построить коллайдер элементарных частиц на Луне

Большой адронный коллайдер в ЦЕРН является одним из самых священных мест для физиков во всем мире. Эксперименты на массивном подземном объекте пытались заглянуть вглубь Вселенной с помощью наблюдения частицы бозона Хиггса, также называемой «божьей частицей».

Пока продолжаются исследования субатомных частиц, два физика из ЦЕРН выдвигают уникальную идею: большой адронный коллайдер, окружающий Луну. Эксперимент по физике высоких энергий был подробно описан в базе данных препринтов arXiv, в которой говорится, что круговой коллайдер может достигать энергии в 14 квадриллионов электрон-вольт, что в 1000 раз превышает энергию БАК в ЦЕРН недалеко от Женевы.

Коллайдер, предложенный физиками Джеймсом Бичемом и Фрэнком Циммерманном, скорее всего, будет погребен под лунной поверхностью и питается от Солнца через солнечные батареи.Коллайдер, создание которого может занять некоторое время, может заменить предложенный круговой коллайдер будущего в ЦЕРН или суперпротон-протонный коллайдер в Китае.

БАК в Женеве остановлен для модернизации. (Фото: Getty)

Зачем нужны высокоэнергетические коллайдеры?

Чтобы понять, как устроена Вселенная, физике нужно выйти за рамки бозона Хиггса, а для этого требуются более масштабные эксперименты, а для таких экспериментов требуется больше энергии, которая может генерироваться более крупными коллайдерами, чем на Земле.

Читайте также: На низкой околоземной орбите больше мусора, чем на действующих спутниках: в отчете говорится, что неустойчивое космическое поведение продолжается тайны, как когда-то Частица Бога, которая была обнаружена коллайдером, или гравитационные волны Лазерного интерферометра Гравитационно-волновая обсерватория (LIGO).

Читайте также: «Две бомбы и один спутник»: Китай готовит космическую гонку от Луны до Марса и далее в области научной фантастики.Но теперь, поскольку НАСА и другие организации серьезно рассматривают возможность возвращения на Луну, эта идея может стать реальностью где-то в ближайшие сто лет. Таким образом, после будущего кругового коллайдера в ЦЕРНе наши праправнучки могут стать физиками лунных частиц!» — сказал Бичем. Самым большим преимуществом его строительства на Луне является то, что огромное имущество просто находится там в вакууме.Физики говорят, что, предполагая, что государственно-частное партнерство в будущем может обеспечить это, «путем партнерства между государственными и частными организациями, заинтересованными в установлении постоянного присутствия на Луне, CCM может быть (следующим) следующим. машина открытия поколения».

Физики утверждают, что коллайдер на Луне может стать ступенькой к достижению планковской энергии — энергии, при которой гравитация и квантовая механика могут работать вместе — которую еще предстоит наблюдать на Земле. Однако для этого может потребоваться еще больший круговой коллайдер.

Другие результаты Большого адронного коллайдера указывают на совершенно новую физику

Обновление (24 марта 2021 г.):  Эксперимент красоты на Большом адронном коллайдере (LHCb) по-прежнему настаивает на том, что в нашей лучшей модели физики элементарных частиц есть изъян.

Как объяснено ниже, предыдущие результаты сравнения данных коллайдера с тем, что мы могли ожидать от Стандартной модели, выявили любопытное расхождение примерно в 3 стандартных отклонения, но нам нужно было гораздо больше информации, чтобы быть уверенными, что это действительно отражает что-то новое в физике.

 

Недавно опубликованные данные приблизили нас к этой уверенности, поставив результаты на 3,1 сигма; все еще существует вероятность 1 из 1000, что то, что мы видим, является результатом того, что физика просто запуталась, а не нового закона или частицы. Прочтите наш оригинальный репортаж ниже, чтобы узнать все подробности.

Оригинал (31 августа 2018 г.):  Прошлые эксперименты с использованием большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе намекнули на нечто неожиданное.Частица, называемая мезоном красоты, разрушалась способами, которые просто не соответствовали предсказаниям.

Это означает одно из двух: наши прогнозы неверны или цифры не соответствуют действительности. А новый подход снижает вероятность того, что наблюдения являются простым совпадением, и этого почти достаточно, чтобы ученые начали волноваться.

Небольшая группа физиков взяла данные коллайдера о распаде бьюти-мезона (или сокращенно b-мезона) и исследовала, что могло бы произойти, если бы они заменили одно предположение о его распаде на другое, предполагающее, что взаимодействие все еще происходит после их преобразования.

Результаты оказались более чем неожиданными. Альтернативный подход удваивает мнение, что действительно происходит что-то странное.

 

В физике аномалии обычно рассматриваются как нечто хорошее. Фантастические вещи. Неожиданные числа могут стать окном к совершенно новому взгляду на физику, но физики также консервативны — вы должны быть , когда на карту поставлены фундаментальные законы Вселенной.

Поэтому, когда экспериментальные результаты не совсем совпадают с теорией, сначала предполагается, что это случайный всплеск в статистическом хаосе сложного теста.Если последующий эксперимент показывает то же самое, предполагается, что это «одна из этих вещей».

Но после достаточного количества экспериментов можно собрать достаточно данных, чтобы сравнить вероятность ошибки с вероятностью нового интересного открытия. Если неожиданный результат отличается от прогнозируемого минимум на три стандартных отклонения, это называется 3 сигмой, и физикам разрешается смотреть на результаты, восторженно кивая и приподняв брови. Это становится наблюдением.

Чтобы по-настоящему привлечь внимание, аномалия должна сохраняться, когда имеется достаточно данных, чтобы довести эту разницу до пяти стандартных отклонений: Событие 5 сигм является причиной разлива шампанского.

 

На протяжении многих лет БАК использовался для создания частиц, называемых мезонами, с целью наблюдения за тем, что происходит в момент их рождения.

Мезоны — это тип адрона, чем-то похожий на протон. Только вместо того, чтобы состоять из трех кварков в устойчивом образовании при сильных взаимодействиях, они состоят только из двух – кварка и антикварка.

Даже самые устойчивые мезоны распадаются за сотые доли секунды. Структура, которую мы используем для описания построения и распада частиц — Стандартная модель — описывает то, что мы должны увидеть при разделении разных мезонов.

Бьюти-мезон — нижний кварк, связанный с нижним антикварком. Когда свойства частицы включаются в Стандартную модель, распад b-мезона должен производить пары электронов и позитронов или электроноподобные мюоны и их противоположности, антимюоны.

Этот исход электрона или мюона должен быть 50-50. Но это не то, что мы видим. Результаты показывают гораздо больше продуктов электрон-позитрон, чем мюон-антимюон.

На это стоит обратить внимание. Но когда сумма результатов сопоставляется с предсказанием Стандартной модели, они отстают на пару стандартных отклонений. Если мы примем во внимание другие эффекты, это может быть еще дальше — настоящий разрыв с нашими моделями.

 

Но насколько мы можем быть уверены в том, что эти результаты отражают реальность, а не являются просто частью экспериментов? Значимость намного меньше этой сигмы 5, а это означает, что существует риск того, что разрыв со Стандартной моделью в конце концов не представляет ничего интересного.

Стандартная модель — отличная работа. Созданная десятилетиями на основе теорий поля, впервые изложенных блестящим шотландским теоретиком Джеймсом Клерком Максвеллом, она послужила картой невидимых сфер множества новых частиц.

Но это не идеально. Есть вещи, которые мы видели в природе — от темной материи до массы нейтрино — которые в настоящее время кажутся недосягаемыми для Стандартной модели.

В такие моменты физики корректируют базовые допущения в модели и смотрят, смогут ли они лучше объяснить то, что мы видим.

«В предыдущих расчетах предполагалось, что когда мезон распадается, между его продуктами больше нет взаимодействий», — заявил в 2018 году физик Дэнни ван Дайк из Цюрихского университета.

«В наши последние расчеты мы включили дополнительный эффект: дальние эффекты, называемые петлей очарования».

Детали этого эффекта не для любителя и не совсем из материала Стандартной модели.

Короче говоря, они связаны со сложными взаимодействиями виртуальных частиц — частиц, которые не существуют достаточно долго, чтобы куда-то уйти, но в принципе возникают в флуктуациях квантовой неопределенности, — и взаимодействия между продуктами распада после того, как они разделились.

Что интересно, так это то, что при объяснении разрушения мезона этой спекулятивной петлей очарования значимость аномалии подскакивает до убедительных 6,1 сигма.

Несмотря на скачок, дело все же не в шампанском. Необходимо проделать дополнительную работу, в том числе собрать воедино наблюдения в свете этого нового процесса.

«В течение двух-трех лет у нас, вероятно, будет достаточно средств, чтобы подтвердить существование аномалии с достоверностью, позволяющей нам говорить об открытии», — сказал в 2018 году Марчин Хшащ из Цюрихского университета.(Как вы знаете, сейчас 2021 год, и мы все еще не совсем там, но приближаемся.)

В случае подтверждения стандартная модель проявит достаточную гибкость, чтобы расширить ее границы, потенциально открывая пути к новым областям физики.

Это крошечная трещина, и все равно может ничего не открыться. Но никто не говорил, что решить самые большие загадки Вселенной будет легко.

Исследование 2018 года было опубликовано в European Physical Journal C ; результаты 2021 года ожидают рецензирования, но исследователи могут проверить их на arXiv.

 

Физики элементарных частиц собираются, чтобы спланировать следующий ускоритель

Майкл Лусибелла


Изображение: ЦЕРН

LHC и один возможный преемник (пунктирная линия)

Когда появились новости о том, что перезапуск Большого адронного коллайдера (БАК) будет отложен, более 300 физиков, в том числе многие из ведущих ученых и администраторов ЦЕРН, собрались в Вашингтоне, округ Колумбия, в конце марта 2015 года, чтобы спланировать преемника машины — БАК. Будущий круговой коллайдер (FCC) будет построен в ЦЕРНе.Это собрание было второй ежегодной конференцией по дизайну для FCC и первой, проводимой в Соединенных Штатах.

FCC превзойдет LHC как по размеру, так и по энергии. Хотя FCC находится на ранней стадии проектирования, он рассматривается как круговой коллайдер на 100 ТэВ с окружностью от 80 до 100 км по сравнению с 27-километровым кольцом LHC и энергией 13 ТэВ (после завершения текущей модернизации). Такой гигантский проект сталкивается с множеством технических, экономических и политических проблем, некоторые из которых, скорее всего, легко преодолимы, другие — менее.

«Я думаю, что для следующего коллайдера мы должны отправиться на Луну», — сказал Брюс Штраус, физик из Министерства энергетики США (DOE), используя метафору эпохи Аполлона. «Впереди есть некоторые проблемы, но я думаю, что мы должны идти».

Текущий план состоит в том, чтобы эксплуатировать БАК примерно до 2022 года. Затем к 2025 году будет завершена крупная модернизация, которая превратит его в машину с высокой светимостью, HL-БАК, которая будет поддерживать десятилетнюю научную программу. FCC начнет строительство вскоре после завершения этой программы.

Участники встречи, организованной IEEE совместно с Министерством энергетики и ЦЕРН, надеются завершить технический отчет FCC примерно к 2018 году, ко времени следующего обновления Европейской стратегии по физике частиц (ESPP) в 2019 или 2020 году.

«БАК — основная машина, и теперь у нас есть люди, которые смотрят, что еще можно [построить]», — сказал Фредерик Бордри, директор по ускорителям и технологиям ЦЕРН.

Окончательный проект FCC противопоставлен параллельным усилиям по разработке компактного линейного коллайдера (CLIC).Предполагаемый 42-километровый электрон-позитронный линейный коллайдер с энергией 3 ТэВ также будет расположен в ЦЕРН. Как только оба проекта будут завершены, администраторы CERN порекомендуют один из двух вариантов, когда придет время обновить ESPP.

Хотя специалисты по планированию Федеральной комиссии по связи на встрече не увидели очевидных научных нарушений, им предстояло решить ряд инженерных задач. Самой большой из них будет разработка магнитов, достаточно мощных для накопителя гигантского ускорителя частиц.

Дипольные и квадрупольные магниты, которые будут направлять и фокусировать пучки частиц с энергией 100 ТэВ, должны быть значительно мощнее, чем все, что было создано до сих пор.По оценкам исследователей, магниты должны будут создавать магнитные поля в 20 тесла, чтобы сдерживать и контролировать луч. В настоящее время магниты LHC производят около 8 тесла, а Fermilab построила прототипы на 11 тесла. В проектах HL-LHC используются магниты мощностью 16 тесла.

Еще одна важная технологическая задача заключается в сдерживании синхротронного излучения, испускаемого пучком частиц, когда он движется по внешнему накопительному кольцу. В настоящее время LHC производит относительно незначительные семь киловатт излучения, в то время как FCC будет генерировать около пяти мегаватт излучения, что потенциально может нанести ущерб его чувствительному криогенному, электронному и другому оборудованию.

Поскольку они составляют большую часть машины, магниты и их сырье также будут самой большой статьей затрат проекта. Исходя из размера ускорителя, предполагается, что для создания необходимых магнитов потребуется не менее 6000 метрических тонн сверхпроводящего ниобия-олова.

«Нынешняя стоимость олова из ниобия-3 является… [нарушителем условий сделки]», — сказал Эцио Тодеско, исследователь из CERN. Он добавил, что для того, чтобы это стало возможным, стоимость должна снизиться примерно до 800 долларов за килограмм по сравнению с нынешней ценой в 1600 долларов за килограмм.Хотя он сказал, что производители, с которыми он разговаривал, готовы принять вызов, «мы еще очень далеки от этого».

Удивительно, но вычислительная мощность для отслеживания огромного количества частиц, образующихся при столкновениях, также была отмечена как потенциальная проблема. С годами микропроцессоры постоянно становились меньше и дешевле, но эта тенденция может не сохраниться.

«Экстраполяция компьютерных технологий на 20 лет вперед не очевидна, — сказал Ян Берд, руководитель проекта вычислительной сети в ЦЕРН. «Мы близки к физическим ограничениям размера функции».

С другой стороны, по мере развития вычислительной мощности ожидается, что технология детекторов будет соответствовать потребностям сообщества физиков элементарных частиц.

«Многие технологии детекторов основаны на кремниевых технологиях и вычислительной мощности, поэтому мы можем рассчитывать на значительные улучшения», — сказал Вернер Риглер, председатель технического совета детектора ALICE на LHC.

Создание научного обоснования для создания машины также является главным приоритетом, но это осложняется открытием бозона Хиггса в 2012 году.В стандартной модели больше не осталось очевидных пробелов, которые можно было бы заполнить, хотя сохраняются загадки о природе темной материи и суперсимметрии.

«Первая цель — полное исследование бозона Хиггса и его динамики, — сказал Микеланджело Мангано, физик-теоретик из ЦЕРН. «Темная материя остается ключевым элементом в поисках».

Но без четкого следующего шага убедить спонсоров в необходимости этой машины следующего поколения может быть сложно.

«Я не уверен, что мы действительно можем объяснить это людям, которые на самом деле оплачивают счета… если у нас нет действительно убедительных аргументов», — сказал Джеймс Сигрист, заместитель директора Управления физики высоких энергий в Министерстве энергетики.

Роль США в проекте неясна, отчасти потому, что сроки проведения исследования неудобны для сообщества физиков высоких энергий. Два года назад, до того, как проект FCC был готов, руководство этого сообщества собралось на широкомасштабное совещание, чтобы помочь разработать обширную десятилетнюю дорожную карту для будущих проектов в области физики высоких энергий. Совещание 2013 года, известное как Snowmass on the Mississippi, сыграло важную роль в подготовке окончательного отчета последующей Группы по приоритизации проекта по физике элементарных частиц Министерства энергетики, на которой был изложен официальный десятилетний стратегический план агентства.

«Я не думаю, что в Сноумассе [FCC] была тщательно оценена, — сказал Сигрист. «С точки зрения агентства, мы действительно не знаем, что думает по этому поводу американское сообщество».

Он добавил, что консенсус, достигнутый на встрече 2013 года, заключался в том, чтобы положить вес исследований США в основу разработки технологий для предлагаемого Международного линейного коллайдера и HL-LHC.

«HL-LHC является наивысшим приоритетом в ближайшем будущем», — сказал Сигрист. «Мы не можем заставить всех работать над FCC, пока мы еще не закончили работу над LHC высокой светимости.

Программа исследований ускорителей LHC (LARP) — это основное сотрудничество США с ЦЕРН по развитию ускорительных технологий. Сейчас программа полностью ориентирована на разработку магнитов для HL-LHC.

«С точки зрения прямых исследований [FCC] — это не то, во что я могу напрямую инвестировать», — сказал Джорджио Аполлинари, директор LARP в Fermilab. «Я был бы рад помочь, но мандат таков».

У американских ученых есть большой опыт.Соединенные Штаты почти всегда продвигали передовые технологии ускорителей, пока в 1993 году не был закрыт сверхпроводящий суперколлайдер. Адронный коллайдер» в Фермилабе.

«США могут внести большой вклад, — сказал Майкл Сайферс из Мичиганского государственного университета. «У США 25 лет эксплуатации коллайдера на 2 ТэВ и 10 лет на проектирование и частичное строительство коллайдера на 40 ТэВ.

На протяжении всей конференции призрак SSC, казалось, нависал над большей частью заседаний. Докладчики часто ссылались на различные уроки, извлеченные из прерванного проекта.

«Если бы мы пошли по этому пути, мы могли бы получить бозон Хиггса десять лет назад», — сказал член палаты представителей Билл Фостер (штат Иллинойс), открывавший конференцию. Он был физиком-ускорителем в Фермилабе, прежде чем баллотироваться в Конгресс, и работал над некоторыми компонентами SSC. «[Европа] получила проект, а мы нет, поэтому важно правильно вести политику.

Один из самых важных уроков, который он извлек из неудачи, заключался в необходимости привлечь к проекту широкую коалицию регионов, будь то штаты США или страны по всему миру. «Вам нужен баланс усилий при переходе от региона к региону, и вам нужен баланс денег при переходе из региона в регион», — сказал Фостер.

Хотя эксперименты и детекторы LHC являются международными проектами, включающими сотрудничество с десятками стран по всему миру, сам ускоритель был построен и профинансирован в Европе.

«Все убеждены, что следующая машина — это всемирная машина, — сказал Бордри.

Большой адронный коллайдер — Томас Г. Маккарти

ЦЕРН — это исследовательское объединение, которое существует с середины 1950-х годов и имеет лабораторию на франко-швейцарской границе недалеко от Женевы, Швейцария. Часто название CERN используется для обозначения самого исследовательского центра. Вы можете думать об этом как о маленькой исследовательской деревне. Конечно, там есть ускорители частиц, но есть и административные здания, множество других экспериментов, не связанных с коллайдерами, рестораны, гостиницы, лаборатории по обработке и так далее. Это огромный объект.

БАК — это ускорительный комплекс, номер , расположенный по адресу в ЦЕРНе. LHC расшифровывается как L arge H adron Co llider, название, которое указывает на тот факт, что это адронов (составные частицы, состоящие из кварков ), которые сталкиваются – в данном конкретном случае адроны оказаться протонами.

Ясно одно, это большое. Окружность главного кольца БАК составляет ~ 27 км, и все это чудовище находится на глубине около 100 м под землей.Он фактически пересекает французско-швейцарскую границу и подходит к Женевскому озеру.

Ранее уже отмечалось, что несколько парадоксально, но для изучения Вселенной в мельчайших масштабах нужны гигантские машины.

На БАК половина протонов ускоряется в одном направлении почти до скорости света, а другая половина ускоряется в противоположном направлении почти до скорости света. Добиться, чтобы вещи приблизились к скорости света, сложно. Это также противоречит здравому смыслу (разве мы не всегда слышим о вещах, путешествующих близко к со скоростью света?).Подумайте о некоторых протонах, движущихся со скоростью 99,999% скорости света. Вбросьте в систему в десять, в сто, в тысячу раз больше энергии (если она сможет с этим справиться), и протоны будут двигаться со скоростью… практически со скоростью света. Это пример того, что мы называем асимптотическим поведением : как бы сильно вы ни давили, вы никогда не достигнете скорости света. Иными словами, если вы хотите попытаться достичь скорости света, вам просто нужно собрать бесконечное количество энергии.Мы просто не можем этого сделать. Но это нормально, нас на самом деле не волнует скорость, нам нужна энергия , потому что энергия — это то, что позволяет нам создавать других частиц.

Другой способ сказать это: в переводе на «км/ч» разница в 99,999% по сравнению с 99,9999% (одна дополнительная «9») не является большой разницей в скорости , но с точки зрения энергии это большое дело! Хорошо, примерно в 3 раза, но это довольно большая разница! Конечно, при любых скоростях , близких к скорости света, пространство и время делают забавные вещи (как и предсказывала специальная теория относительности Эйнштейна): время замедляется, а длины сокращаются. Инженеры, строящие все различные части, ведущие к LHC, должны были знать, насколько быстро протоны будут двигаться на разных этапах, чтобы они могли правильно разработать конструкцию.

В этой заметке я не уделяю достаточного внимания инженерным аспектам БАК. Не заблуждайтесь, построить ускоритель частиц — непростая задача. И имейте в виду, что хотя до были ускорители , БАК находится на границе высоких энергий, поэтому работавшие над ним инженеры во многом работали на совершенно незнакомой территории.

Немного отступив назад, вот основной снимок LHC (круглая часть, а не детектор, расположенный в основании изображения — это детектор ATLAS, о котором вы узнаете больше позже):

Ученые выключают Большой адронный коллайдер — Кварц

Даже Большой адронный коллайдер (БАК) время от времени нуждается в перерыве.

На этой неделе ученые из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) щелкнули выключателем на БАК, что стало первым шагом в двухлетней работе по модернизации коллайдера частиц для проведения интенсивных будущих экспериментов, которые потребуют более высоких уровней энергии, чем использовались ранее. .В конце этого двухлетнего периода, в начале 2021 года, планируется снова включить коллайдер частиц.

После возобновления работы LHC будет оснащен двумя новыми ускорителями, которые будут обладать достаточной мощностью, чтобы сталкивать две частицы сильнее, чем когда-либо прежде, что, как мы надеемся, раскроет некоторые тайны физики.

Построенный между 1998 и 2008 годами, LHC представляет собой круглый туннель длиной 17 миль (27 км), который проходит на глубине около 600 футов (175 метров) под франко-швейцарской границей недалеко от Женевы.Коллайдер был создан для того, чтобы физики могли проверить свои теории о физике элементарных частиц. Его последний двухлетний период обслуживания проходил в период с 2013 по 2015 год.

Коллайдер уже значительно продвинул физику. В 2012 году ученые использовали его, чтобы впервые наблюдать частицу, известную как бозон Хиггса. Физики в прошлом предсказывали его существование и считают, что он необходим для формирования атомов. Работа была удостоена Нобелевской премии по физике в 2013 году. В настоящее время ученые используют LHC для анализа того, как частица бозона Хиггса распадается или превращается в другие частицы.

То, что коллайдер временно закрыт, не означает, что ученые, работающие с оборудованием, уйдут в отпуск. Согласно заявлению CERN, исследователи «будут заняты на протяжении всего периода остановки, изучая огромную выборку данных на предмет возможных признаков новой физики, которая еще не успела проявиться».

Хотя это отключение связано с плановой модернизацией и техническим обслуживанием, БАК был вынужден прекратить работу несколько дней назад, совсем недавно из-за неразберихи с местной дикой природой.В апреле 2016 года ласка забралась в оборудование и вызвала то, что Би-би-си описала как «серьезные электрические возмущения», когда попала в 66-киловольтный трансформатор. До этого, в 2009 году, БАК был временно закрыт после того, как в оборудование попала птица.

Для поиска новой физики потребуется новый коллайдер частиц

D EEP ПОД сельской местностью к северу от Женевы, на границе между Францией и Швейцарией, одна из самых передовых научных машин, когда-либо построенных, сталкивала субатомные частицы вместе более десятилетие. Это устройство, Большой адронный коллайдер ( LHC ), ускоряет пучки протонов (представителей класса частиц, называемых адронами) в противоположных направлениях по кольцу диаметром 27 км, пока они не достигнут почти скорости света. Затем мощные магниты вынуждают эти протоны вступать в лобовые столкновения, заставляя переносимую ими энергию преобразовываться — как описано в самом известном уравнении Эйнштейна E=mc 2 — в материю. И какое дело! Ибо сортировка выбросов от столкновений дает физикам мимолетное представление о фундаментальных строительных блоках Вселенной и силах, которые связывают или отталкивают их.

Послушайте эту историю. Наслаждайтесь большим количеством аудио и подкастов на iOS или Android.

Ваш браузер не поддерживает элемент

Экономьте время, слушая наши аудио статьи, выполняя несколько задач одновременно. Это последняя из длинной череды все более сложных машин, созданных за последнее столетие исследователями, стремящимися выяснить, как на самом деле устроена Вселенная. Результатом этих усилий стала одна из самых успешных и проверенных научных идей всех времен: Стандартная модель физики элементарных частиц (см. схему).

Высокие стандарты

Однако Стандартная модель не является теорией всего. Он оставляет многие вещи необъяснимыми. Таким образом, несмотря на то, что их многомиллиардной игрушке в CERN осталось по крайней мере еще два десятилетия столкновений, физики уже думают о том, что будет дальше. Это означает создание еще более мощной машины, способной достигать еще более высоких энергий и, таким образом, генерировать еще более тяжелые и интересные частицы.И создание этой машины означает, в свою очередь, создание политической воли для ее оплаты и решение о том, где она будет построена. Это может быть CERN , или, возможно, в Японии, или, может быть, в Китае — перспектива, нежелательная для нынешнего primus inter pares в этой области, Америки.

Стандартная модель представляет собой квантово-механическое описание всех известных элементарных частиц: от кварков внутри протонов и нейтронов, через электроны, вращающиеся вокруг атомных ядер, до фотонов, несущих электромагнитную силу и освещающих вселенную. В отличие от общей теории относительности Эйнштейна, ее соперницы за лавры «самой важной теории в физике», она не является продуктом размышлений гения-одиночки. Хотя название восходит только к 1975 году, суть модели постепенно разрабатывалась десятками тысяч ученых, работавших более 80 лет над сотнями экспериментов по всему миру. Последняя часть головоломки, бозон Хиггса, который придает массу некоторым другим частицам и, таким образом, связывает модель воедино, был предсказан теоретиками в 1964 году и обнаружен LHC в 2012 году.

Однако открытие бозона Хиггса должно было стать не только концом, но и началом, поскольку теперь Стандартную модель необходимо расширить до чего-то большего. Например, она не включает гравитацию. Это сфера общей теории относительности. Темная материя также отсутствует. Это вещество, невидимое, но обнаруживаемое благодаря своим гравитационным эффектам, составляет 27% Вселенной — более чем в пять раз больше, чем так называемая нормальная материя звезд, планет, людей и так далее. И это не включает темную энергию, вещь неизвестной природы, которая составляет оставшиеся 68% реальности и каким-то образом действует, раздвигая все остальное в космосе.

Стандартная модель включает антивещество. Но он предсказывает, что в начале времен должно было появиться равное количество материи и антиматерии, и к настоящему времени они должны аннигилировать друг друга. Поскольку этого, очевидно, не произошло — материя в наши дни распространена, а антиматерия — исчезающе редко, — это предсказание нуждается в серьезной переоценке.

Каждое из этих несоответствий указывает на физические законы, частицы и силы, которые еще предстоит открыть — тайны, которые физики ожидали, что LHC уже начнет раскрываться.Но это не так. Это говорит о том, что их гипотезы о том, что находится за пределами Стандартной модели, которые были основой этих ожиданий, должны быть ошибочными.

Самые весомые ожидания были возложены на плечи изящной идеи под названием суперсимметрия. Эта теория, разработанная за последние 50 лет, представляет собой способ удалить из Стандартной модели множество вещей, известных в торговле как фиктивные факторы. Фактор выдумки — это произвольное значение, которое заставляет модель работать, но само по себе не поддается более глубокому объяснению.В Стандартной модели многие подобные выдумки можно устранить, введя для каждой частицы Стандартной модели более тяжелого «суперсимметричного» партнера, которого еще не видели. Например, предполагаемые суперпартнеры электрона и кварка известны как селектрон и скварк.

Суперсимметрия может также устранить еще один недостаток Стандартной модели. Суперсимметричными партнерами другого типа частиц Стандартной модели, нейтрино, будут вещи, называемые нейтралино. И нейтралино являются вероятными кандидатами на роль компонентов, из которых состоит темная материя.

К сожалению, после почти десятилетия все более энергичных столкновений на LHC ничего нового, кроме самого бозона Хиггса, не появилось. Нет скрытых размеров. Никаких необъяснимых явлений. Отсутствие суперсимметричных частиц. В результате суперсимметрия для многих физиков потеряла свой блеск. И из множества альтернатив, пытающихся занять его место, никто не знает, какая из них, если таковая имеется, может быть ближе всего к истине.

Все это является головной болью для практиков в области физики элементарных частиц — области, в которой эксперименты, как известно, дороги и требуют десятилетий.Это также сбивает с толку, потому что физики ожидали, что они могут более или менее предсказать, что они увидят в своих машинах дальше. Юджин Вигнер, американский физик-теоретик 20-го века, назвал это ожидание «необоснованной эффективностью математики в естественных науках», и началось оно с открытия позитронов, антивещественного эквивалента электронов.

Позитроны были предсказаны в 1920-х годах по формуле, лежащей в основе Стандартной модели.Эта формула, названная уравнением Дирака в честь ее создателя Поля Дирака, предполагала существование электронов с положительным зарядом, а также знакомых отрицательно заряженных электронов. Предсказанные таким образом, их искали и находили. Затем уверенность в пророческой силе математики подтверждалась снова и снова, вплоть до триумфального открытия давно предсказанного бозона Хиггса. Но провал суперсимметрии сильно подорвал эту уверенность.

Однако независимо от деталей все согласны с тем, что путь к открытию физики за пределами Стандартной модели лежит через сам бозон Хиггса.Это означает изучение и характеристику этого объекта в мельчайших деталях. Физики не знают, например, действительно ли это элементарная частица без внутренней структуры (как электрон или кварк) или состоит из более мелких объектов (подобно тому, как протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый). Возможно даже, что то, что было идентифицировано как Хиггс, на самом деле не является частицей, предсказанной Стандартной моделью, а, скорее, другой частицей из пока неизвестной теории, которая имеет предсказанную бозоном Хиггса массу.

Мера за меру

К сожалению, в то время как LHC теперь может надежно производить то, что большинство людей до сих пор считает бозонами Хиггса, его инструменты не могут легко выполнить точные измерения, необходимые для выявления трещин в Стандартной модели, которые указывали бы на конкуренты суперсимметрии выглядят наиболее многообещающе. Одна из причин этого заключается в протонах, которые коллайдер использует в качестве сырья. Поскольку протоны состоят из кварков, которые удерживаются вместе дополнительными частицами, называемыми глюонами, протон-протонное столкновение на самом деле включает в себя шесть кварков и несколько глюонов и, таким образом, невероятно беспорядочно.

Однако есть способ избавиться от этой неразберихи: вместо этого используйте электроны. Поскольку электроны действительно элементарны, столкновения с их участием чище, чем между протонами. Но есть цена, которую нужно заплатить. Электроны имеют примерно двухтысячную массы протонов и пропорционально меньшую кинетическую энергию при данной скорости. Таким образом, чтобы сделать их достаточно энергичными для получения бозонов Хиггса, потребуется новая машина.

Создание электронного коллайдера (или, скорее, на практике машины, сталкивающей электроны с позитронами) вслед за LHC имело бы исторический прецедент.В CERN в 1983 году адронная машина под названием Суперпротонный синхротрон с окружностью 7 км использовалась для обнаружения частиц, называемых бозонами W и Z, которые участвуют в явлении, известном как слабое ядерное взаимодействие. Впоследствии в той же лаборатории в 1989 году начал работать Большой электронно-позитронный ( LEP ) коллайдер для подробного описания и изучения этих недавно открытых бозонов. Круглый 27-километровый туннель, построенный для LEP , теперь вмещает LHC .

Продолжая эту схему, одна группа физиков из CERN предлагает построить там новую машину для ускорения электронов и позитронов вокруг 100-километрового туннеля, который будет проходить под горами Юра. Этот круговой коллайдер будущего ( FCC ) будет производить столкновения при энергиях колоссальных 365 гигаэлектронвольт ( G e V ) в единицах, используемых физиками для измерения как энергии, так и массы субатомных частиц. Он произвел бы миллионы бозонов Хиггса в течение нескольких десятилетий.Такая «фабрика» Хиггса позволила бы физикам определить точные детали частицы.

Бозоны Хиггса нестабильны. Они распадаются на пары других частиц почти сразу после рождения. Стандартная модель предсказывает, что примерно в 60% случаев это будет создавать нижний кварк и его эквивалент из антивещества. Еще в 21 % случаев будет появляться пара W-бозонов, а в 9 % распадов бозона Хиггса должна заканчиваться пара глюонов (остальные 10 % приведут к дальнейшим комбинациям).Создав огромное количество бозонов Хиггса, а затем измерив точные скорости появления нижних кварков, W-бозонов, глюонов и других элементарных частиц, те, кто использует FCC , смогут отслеживать расхождения с предсказаниями Стандартной модели. Чем больше Хиггсов будет создано, тем большей статистической силой будут обладать результаты и тем увереннее будут исследователи в том, что любые отклонения от прогнозов Стандартной модели, которые они измеряют, на самом деле представляют собой что-то реальное.

FCC будет основываться на многолетнем опыте CERN с круговыми коллайдерами и может показаться естественным преемником LHC . Но соперничающая группа физиков с этим не согласна. Хотя круговые коллайдеры долгое время правили насестом, у них есть проблема. Когда заряженные частицы (протоны, электроны, позитроны и т. д.) движутся по кругу, они излучают энергию, известную как синхротронное излучение, в виде X -лучей. Чем быстрее движутся частицы, тем больше энергии они теряют.При полной мощности FCC может излучать (т. е. отбрасывать) около 100 мегаватт синхротронного излучения. Единственный способ компенсировать это и, таким образом, обеспечить столкновение частиц внутри с максимальной энергией, — это накачать больше электроэнергии, что повысит стоимость эксплуатации машины.

Таким образом, соперничающая группа предлагает полностью обойти гегемонию колец, создав другого преемника LHC : линейного коллайдера. Это ускорило бы электроны и позитроны с противоположных концов прямой дорожки и позволило бы им встретиться посередине.В продаже два таких. CERN предлагает компактный линейный коллайдер. Второй — это Международный линейный коллайдер с дипломатическим названием, который, вероятно, будет построен в Японии.

В отличие от кольца, линейный коллайдер можно построить поэтапно, что помогает с бюджетом. Оба проекта, однако, в конечном итоге будут иметь длину около 50 км, если будут доведены до конца. Они будут иметь энергию столкновения тераэлектронвольт (1 Тл e В , или 1000 Гс e В ) или более, и будут работать как фабрики Хиггса, производя многие миллионы таких бозонов.

Если физика элементарных частиц пойдет по пути линейного коллайдера, то какая из этих машин выйдет на первое место, остается спорным. На первый взгляд, Международный линейный коллайдер впереди. Физики со всего мира годами работали над этим предложением, и в 2013 году они заручились поддержкой Японии, чтобы построить его на Хонсю. Однако после этого прогресс замедлился, и до сих пор не принято решение о продолжении проекта. Научный совет Японии, который консультирует правительство по таким вопросам, все еще оценивает схему. Ожидается, что он объявит о своих намерениях в феврале. CERN , тем временем, кажется, больше заинтересован в создании нового кольца. Сторонники компактного линейного коллайдера в организации составляют меньшинство.

Хотя старые великие державы в физике спорят о том, что делать дальше, они могут оказаться в стороне. Потому что Китай движется в поле с головокружительной скоростью. Под руководством Ван Ифана, главы Института физики высоких энергий в Пекине, в стране ведется подготовка молодых ученых и создается впечатляющая исследовательская инфраструктура.Его флагманским предложением является Круговой электрон-позитронный коллайдер ( CEPC ), задуманный доктором Вангом после открытия бозона Хиггса и прошедший несколько этапов технического проектирования.

Последняя версия предлагает машину стоимостью 5 миллиардов долларов, оптимизированную для создания и изучения бозонов Хиггса. Он будет находиться в туннеле окружностью 100 км и достигать столкновений при энергиях, достигающих около 240 Гс и В . По своей спецификации он не так уж далек от CERN и FCC .Хотя проект разрабатывается китайскими учеными, некоторые из которых работали в CERN , доктор Ван также опирался на советы, поддержку и критические отзывы от других физиков элементарных частиц со всего мира.

Получит ли проект доктора Ванга зеленый свет, будет зависеть от того, как правительство решит сопоставить его ценность с другими предлагаемыми научно-исследовательскими объектами, которые оно может построить. Одним из конкурентов, например, является демонстрационная термоядерная электростанция. Если правительство даст добро на строительство коллайдера, часть его расчетов, несомненно, будет заключаться в увеличении популярности и престижа, связанных с возможностью построить и эксплуатировать такую ​​технологически продвинутую машину.У Китая есть амбиции стать мировым лидером в науке, и нет сомнений, что ускоритель частиц поможет ему достичь этой цели.

С новым

Китай, безусловно, может позволить себе коллайдер доктора Ванга, хотя ему потребуется импортировать много ученых-ускорителей, чтобы увеличить свои возможности по созданию и эксплуатации такой машины. Если бы это произошло, планы CERN относительно кругового коллайдера выглядели бы излишними. Но, как показывает собственная история CERN , крупные научные проекты, как правило, работают лучше всего, когда доступ к машине и ее результатам максимально открыт и обеспечивает международное сотрудничество.Доктор Ван говорит, что он будет приветствовать деньги, таланты и неденежные пожертвования из других стран. Если бы CEPC стал самым мощным ускорителем в мире, эти страны, несомненно, воспользовались бы шансом присоединиться к нему. Кроме одной, то есть Америки.

Америка является домом для процветающего сообщества физиков элементарных частиц, и они получили множество Нобелевских премий, врученных во второй половине 20-го века за предсказание и проверку различных элементов Стандартной модели.Однако американским правительственным ученым в настоящее время запрещено сотрудничать со своими китайскими коллегами, а федеральные финансирующие агентства не будут платить ученым за работу в Китае — ограничение, которое будет применяться к CEPC , если он будет построен. Тем не менее, если бы Китай запустил свой ускоритель, центр тяжести фундаментальной физики и, возможно, следующего набора Нобелевских премий по этой теме, несомненно, переместился бы туда.

Однако большие дыры в современной физике не решить одной машиной.Все группы, предлагающие электрон-позитронные коллайдеры после LHC , также работают над планами того, что произойдет после пары десятилетий их использования для изучения деталей бозонов Хиггса. Команда FCC предлагает в конечном итоге вырвать эту машину из ее 100-километрового туннеля, как LEP , и заменить ее где-то в 2050-х годах или позже адронным коллайдером, работающим на частоте 100 T e . В . В Китае команда доктора Ванга начала работу над аналогичной идеей, согласно которой суперпротон-протонный коллайдер будет располагаться в туннеле рядом с ранее построенным электрон-позитронным коллайдером.

Однако некоторые физики нетерпеливы. Они утверждают, что следует отказаться от осторожного, поэтапного подхода. Вместо того чтобы проводить точные измерения бозона Хиггса с помощью электрон-позитронных машин, исследователи должны как можно скорее использовать адронную машину 100 T e V и посмотреть, что произойдет. Их аргумент состоит в том, что неопределенность, которая сейчас изобилует в этой области, делает рискованным сосредоточение внимания только на электрон-позитронном коллайдере, поскольку он может оказаться неспособным работать при достаточно высоких энергиях, чтобы глубоко проникнуть на территорию новой физики.Более того, по мере совершенствования детекторов и усложнения алгоритмов, используемых для поиска наиболее полезных данных о столкновениях, проблема беспорядочных выходных данных адронных коллайдеров может исчезнуть. Однако адронные коллайдеры всегда сохранят свое превосходство в преодолении энергетического барьера на пути к открытию новой физики.

Как сказал Джон Баттерворт, член группы, открывшей бозон Хиггса в 2012 году: «Всю мою карьеру я имел очень четкую дорожную карту того, что нам нужно делать дальше, и теперь ее нет.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.