Школьники проанализируют данные большого адронного коллайдера

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер (сокр. БАК, англ. LHC) – это самый большой и мощный ускоритель частиц в мире, расположенный на франко-швейцарской границе около города Женева. Он предназначен для ускорения и столкновения встречных пучков протонов и тяжелых ионов (ионов свинца). БАК создан при Европейском совете ядерных исследований ЦЕНР. В его строительстве и обслуживании, участвовало более 10 тыс инженеров и ученых из более чем 100 стран мира. Стоимость проекта оценивается в 10 млрд. долларов.

Коллайдер по сути является замкнутой туннельной системой, расположенной под земной поверхностью на глубине до 180 м. Название «коллайдер» уместно перевести на русский как «устройство для сталкивания».

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

А сталкивает он адроны (класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию). Отсюда и название «адронный коллайдер».

Приставку «большой» он получил за свои внушительные размеры, длина основного туннеля БАК составляет 26,7 км.

По большей части эксперименты проводятся с протонами. Протон – элементарная частица, составляющая часть атома, ее отличительное свойство – наличие положительного заряда.

БАК разгоняет потоки протонов внутри подземного туннеля до более 99,9% скорости света, направляя их навстречу друг другу.

При столкновении на такой скорости моделируются условия, сходные с состоянием нашей Вселенной на ранних стадиях ее существования.

Каково происхождение протонов для экспериментов в БАК?Их получают методом ионизации атома водорода. Как известно, в его составе имеется 1 протон и 1 электрон. Ионизация помогает избавиться от электрона, и сохранить необходимый для научных опытов протон.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Планы на неделю с 6 по 12 марта

Оценим за полчаса!

Предназначение

Большой адронный коллайдер помогает исследовать сами элементарные частицы и особенности процессов их взаимодействия.

БАК уже принес науке немало бесценных сведений в области квантовой физики, и ученым не терпится получить больше информации о том, как устроены наше пространство и время.

Процессы, уловленные детекторами БАК во время столкновения протонов, дают исследователям возможность прийти к лучшему пониманию того, что представляла собой Вселенная в продолжение первых мгновений после Большого взрыва.

  • Как известно, к началу 1970-х физики разработали так называемую Стандартную модель (СМ), в которой объединились 3 из 4 фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного):
  • — сильное;
  • — слабое;
  • — электромагнитное.

Однако СМ невозможно принять исчерпывающей теорией элементарных частиц. Предположительно, она – не более чем фрагмент более масштабной теоретической картины устройства микромира. Основополагающая цель создание Большого адронного коллайдера – приблизиться к пониманию сущности новой теории (поиск новой физики).

  1. В наше время наука применяет различные способы объединения фундаментальных взаимодействий:
  2. — теория струн;
  3. — теории супергравитации;
  4. — петлевая квантовая гравитация и пр.

Не все они являются совершенными, и ни одна из них не была подтверждена экспериментальным методом. Препятствие заключается в недостатке энергии, доступной ученым на современных устройствах для ускорения частиц.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдераБАК — самая большая экспериментальная установка

Большой адронный коллайдер дал науке возможность реализовать эксперименты с недоступной прежде энергией, и по-видимому, это позволит оценить корректность некоторых из вышеупомянутых теоретических подходов.

В частности, имеется большое число теоретических систем, допускающих наличие такого явления, как суперсимметрия – в частности, теория струн (она же теория суперструн), которая в случае доказанного отсутствия суперсимметрии утратит свой логический смысл.

Соответственно, если будет получено доказательство существования суперсимметрии, то это станет и косвенным аргументом в подтверждение правоты данных теорий.

Исследование топ-кварков

Эти частицы – наиболее тяжелые не только из кварков, но также из всех известных науке элементарных частиц. Их масса слишком велика для того, чтобы топ-кварки можно было изучать на большинстве ускорителей.

Помимо прямого научного интереса, данные частицы используются как средство для исследований бозона Хиггса. Бозоны появляются на свет в БАК совместно с парой топ-кварк/антикварк.

Поэтому следует лучше представлять свойства кварков, чтобы выделять из их среды бозоны.

Исследование электрослабой симметрии

Среди основных задач БАК, помимо подтверждения существования бозона Хиггса, следует отметить то, каким образом данная нестабильная частица оказывает влияние на симметрию электрослабого взаимодействия. Бозон, как известно, — квант такого физического явления, как поле Хиггса. Преодолевающее эту среду элементарные частицы сталкиваются с сопротивлением, что физика осознает как поправки к массе.

Исследование кварк-глюонной плазмы

Помимо прочих экспериментов, в БАК проводятся опыты со столкновением ядер атомов свинца. В процессе неупругого контакта пары таких ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткий срок появляется и исчезает сгусток ядерного в-ва высокой плотности и температуры.

Изучение характерных для этого процессов (преобразование в-ва в кварк-глюонную плазму) необходимо для выстраивания более корректной теоретической модели сильных ядерных взаимодействий, которая позволит добиться существенного прогресса как собственно в физической науке, так и в понимании астрономических процессов.

Исследование фотонных взаимодействий

ЭМ взаимодействие понимается как обмен фотонами. Проще говоря, фотоны считаются носителями ЭМ поля. Протоны же обладают электрическим зарядом и электростатическим полем, которое допустимо считать совокупностью виртуальных фотонов.

Когда протоны приходят в столкновение, окружающие их фотоны вступают во взаимодействие. Тем самым, изучая процесс столкновения протонов, физики занимаются исследованием поведения фотонов высокой энергии.

Помимо этого, имеет место особая разновидность реакций – прямое взаимодействие пары фотонов.

Как устроен БАК

  • Коллайдер состоит из 3 базовых структур;
  • — ускоритель элементарных частиц. Он позволяет разогнать и столкнуть адроны (тяжелые элементарные частицы из кварков), используя электрические магниты огромной мощности, которые распределены параллельно всей протяженности подземного туннеля;
  • — детекторы. Процесс, а также итоги взаимодействия ускоренных магнитами протонов невозможно наблюдать непосредственно в туннеле, по этой причине особые устройства-детекторы собирают максимально возможный объем информации с целью дальнейшей ее обработки;

— грид.

Детекторы набирают петабайты экспериментальных данных. Для того, чтобы корректно обработать столь внушительный массив информации, применяют грид-систему – компьютерную сеть, расположенную в 36 государствах, она формирует своего рода единый супер-компьютер. Но даже он способен интерпретировать приблизительно 1% параметров реакции в БАК.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдераВид на CMS — один из детекторов БАК

Детекторы

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

ATLAS, ALICE, CMS, LHCb — это большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf являются вспомогательными, находятся в нескольких десятках метров от точек столкновения и используются параллельно с основными.

ATLAS и CMS участвовали в поиске бозона Хиггса, а также тёмной материи. Детектор ALICE — изучает кварк-глюонную плазму при столкновении тяжёлых ионов свинца. LHCb — исследует физику b-кварков, для лучшего понимания различия между антиматерией и материей.

TOTEM — изучает рассеивание частиц на малые углы (а также ведет анализ не столкнувшихся частиц). LHCf — исследует космические лучи, которые моделируются теми же не сталкивающимися частицами.

MoEDAL — нацелен на поиск медленно движущихся тяжёлых частиц

Как работает БАК

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдераКомплекс ускорителей в ЦЕРНе (CERN-GRAPHICS-2019-002-1)

В туннеле коллайдера частицы разгоняют почти до скорости света, при этом увеличивая их массу в несколько тысяч раз. Весь процесс можно разделить на 5 ключевых этапов:

  1. Сначала атомы водорода поступают в начальную камеру линейного ускорителя (Linac 2), где от них отделяют электроны. Это нужно для того, чтобы у них был положительный заряд и их можно было ускорять с помощью электрического поля.
  2. Проходя линейный ускоритель, пучок протонов достигает 1/3 скорости света и попадает в бустер (PS buster) с длинной пути 157 метров. Там он делится на четыре меньших пучка, каждый из которых разгоняется в отдельном кольце бустера (для максимального повышения плотности потока частиц). С помощью пульсирующего электрического поля происходит ускорение частиц, в то время как магнитное поле способствует их движению по кругу. Бустер разгоняет частицы до 91,6% скорости света и делает пучки протонов плотными.
  3. На выходе из бустера частицы собираются воедино и поступают в кольцо протонного синхротрона (PS) с длинной 628 метров. Циркулируя по кругу в течение 1,2 секунды, они достигают более чем 99,9% скорости света. Стоит отметить, что на этом этапе достигается предел скорости, когда пульсирующее электрическое поле больше не может ускорять частицы. Однако вместо этого прикладываемая энергия увеличивает массу протонов. Таким образом, протонный синхротрон увеличивает кинетическую энергию частиц до 28 ГэВ (частицы становятся в 28 раз тяжелее, чем были).
  4. Затем пучок поступает в протонный суперсинхротрон (SPS) — огромное 7-ми километровое кольцо — «разгон» в котором дает частицам энергию порядка 450 ГэВ. Это последняя подготовительная ступень разгона перед перемещением в основное кольцо Большого адронного коллайдера.
  5. Основное кольцо БАК, длинна которого составляет 26659 метров, состоит из двух вакуумных трубок, в которых протонные пучки движутся в противоположных направлениях. Эти трубки пересекаются в четырех точках, где размещены детекторы. Там и происходит столкновение частиц и сбор данных. Однако перед встречным столкновением, основное кольцо БАК увеличивает их кинетическую энергию до 7 ТэВ (делая частицы в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя).

Интересные факты:Всего за 1 секунду частицы пролетают всю протяженность основного туннеля более 11000 раз (т.е на 1 цикл уходит не более, чем 0,0001 с). За ту же секунду в БАК происходит около 1 миллиарда столкновений, каждое их которых генерирует 1,5 мегабайта данных.

Каковы научные достижения БАК

Поскольку БАК располагает большей энергией в сравнении с коллайдерами ранних версий, он дал ученым возможность исследовать неизведанную до того область энергий и обрести научные данные, которые помогают уточнить некоторые теоретические построения.

Сегодня к наиболее заметным научным «прорывом», достигнутым при помощи коллайдера, относят открытие бозона Хиггса.

Уже сейчас его многие называют одним из наиболее громких открытий XXI столетия, поскольку бозон Хиггса помогает объяснить наличие массы частиц в нашем пространстве.

Следовательно, тем самым получено подтверждение Стандартной модели, на основе каковой в наше время физика моделирует поведение и реакции элементарных частиц. И как раз это их взаимодействие является фундаментом, на котором построено все наше мироздание.

Сущность действия бозона Хиггса заключается в том, что он участвует в формировании массы и обмене ею среди прочих элементарных частиц. Однако это крайне упрощенное изложение функций бозона, и всем заинтересовавшимся этой частицей рекомендуем изучить соответствующие научные публикации.

  1. Прочие научные результаты БАК:
  2. — проведены исследования базовых статистических параметров столкновений протонов, оценка числа рожденных адронов, корреляции мезонов;
  3. — продемонстрировано, что не существует асимметрия протонов и антипротонов;
  4. — наблюдались необычные корреляции протонов, летящих по весьма различным траекториям;
  5. — уточнены параметры возможных контактных взаимодействий кварков;
Читайте также:  Экспорт образования: иностранных студентов должно быть больше в три раза

— зафиксированы существенные признаки образования кварк-глюонной плазмы и т.д.

Способен ли БАК разрушить планету

С первых дней своей постройки адронный коллайдер вызывал всевозможные спекулятивные опасения и фантазии. В частности, в интернете прошел слух, что вследствие экспериментальной работы БАК способен создать черную дыру, и та проглотит Землю.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдераТе самые две трубки, по которым частицы движутся в противоположных направлениях

Разумеется, эти опасения имеют под собой определенную основу, однако:

— в случае, если теоретически БАК сформировал бы черную дыру, то ее размеры оказались бы микроскопическими. И есть предположение, что чем они миниатюрнее, тем быстрее такой объект аннигилируется, превращаясь в энергию, не успев нанести ни малейшего ущерба. Но здесь нельзя утверждать ничего наверняка, потому что все это основано на гипотезах и теориях.

С другой стороны, возможно, при столкновении в БАК недостаточно кинетической энергии, чтобы выполнилось условие R=2GM/c2 (гравитационный радиус), необходимое для образования черной дыры.

Планы на будущее

По мере того, как Большой адронный коллайдер приступит к работе на полной мощности и светимости (2021 — 2023 гг.), его разработчики планируют остановку на 2,5 года для модернизации детекторов и ускорителей (проект HL-LHC).

Тем самым будет усилена светимость БАК и обеспечена возможность проведения опытов с еще большей энергией.

Ученые также намерены организовать опыты путем столкновения протонов и электронов, что потребует дополнительного оборудования для разгона элементарных частиц.

Кроме того, в планах ЦЕРНа есть куда более амбициозный международный проект, создание коллайдера с 100 км. кольцом. Текущее название проекта Future Circular Collider (FCC, «Будущий циклический коллайдер»).

Дорогие друзья, мы все люди и можем ошибаться, а информация имеет тенденцию устаревать. Поэтому, если найдете неверную информацию или грубые смысловые и прочие ошибки, то, пожалуйста, дайте знать об этом в х.

Источник: https://sci-news.ru/2020/the-large-hadron-collider/

8 детекторов Большого адронного коллайдера – подборки от ПостНауки

ОТ РЕДАКЦИИ Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер (LHC) — самый большой и самый мощный ускоритель частиц из когда-либо созданных. Он ускоряет протоны почти до скорости света — по часовой стрелке и против часовой — и затем сталкивает их. В точках столкновения частиц находятся четыре основных детектора: ATLAS, CMS, LHCb и ALICE, которые регистрируют осколки этих столкновений. Кроме того, есть несколько вспомогательных установок. Рассказываем, какие задачи решают все эти сложные устройства.

ATLAS и CMS

ATLAS и CMS — два детектора общего назначения, которые рассчитаны на решение широкого спектра задач физики — от открытия новых частиц (в том числе составляющих темной материи, которые до сих пор не были найдены) до поиска экзотических явлений, таких как дополнительные измерения, гравитоны и микроскопические черные дыры. Именно с помощью этих установок в 2012 году был открыт бозон Хиггса. 

7000-тонный детектор ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) является крупнейшим из когда-либо созданных объемных детекторов частиц. В его центре сталкиваются пучки ускоренных частиц с БАК, в результате чего рождаются новые частицы, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Системы детектора фиксируют их траектории, импульс и энергию. 

Детектор CMS (Compact Muon Solenoid) построен вокруг огромного магнита, который создает сильное магнитное поле 4 тесла внутри и снаружи цилиндра диаметром 6 метров и длиной 12,5 метров.

Внутри цилиндра помещаются трековые детекторы и калориметры, а наружное поле используется для отклонения мюонов — неустойчивых частиц с отрицательным зарядом.

Вылетая из центра детектора, эти частицы вычерчивают траекторию, похожую на букву S. 

Такой акцент на регистрации мюонов не случаен. Мюоны с высокой энергией указывают на то, что при столкновении протонов наверняка произошло нечто интересное, связанное с электрослабыми взаимодействиями или экзотическими частицами.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдераРаспад элементарных частиц

Эксперимент LHCb (Large Hadron Collider beauty) специализируется на изучении небольших различий между веществом и антивеществом. Он фиксирует частицы, известные как b-кварки и b-антикварки (или прелестные кварки и антикварки).

Хотя сегодня во Вселенной b-кварки отсутствуют, они были обычным явлением вскоре после Большого взрыва. Прелестные кварки и антикварки могут рождаться во время столкновения протонов в БАК, но они очень быстро распадаются.

Физики считают, что, сравнивая распады этих недолговечных частиц, они могут получить полезные сведения о том, почему природа предпочитает материю, а не антиматерию.

С помощью детектора LHCb в 2014 году было подтверждено существование тетракварков, а в 2015 году были открыты пентакварки.

Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) предназначен для изучения физики сильновзаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии. В столкновениях тяжелых ионов рождается особое состояние вещества — кварк-глюонная плазма. 

Каждый атом вещества содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окруженное облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных между собой другими частицами, называемыми глюонами. В обычных условиях кварки не могут существовать по отдельности: они неразрывно связаны друг с другом. Это явление называется конфайнментом. 

При столкновении тяжелых ионов свинца создаются температуры, в 100 тысяч раз более высокие, чем в центре Солнца. В таких экстремальных условиях кварки и глюоны не склеиваются в протоны и нейтроны, а ведут себя более независимо друг от друга, образуя кварк-глюонную плазму.

Предполагается, что именно в этом состоянии находилось вещество в первые мгновения после Большого взрыва.

С помощью детектора ALICE физики могут изучать кварк-глюонную плазму, наблюдая, как по мере охлаждения она постепенно порождает частицы, составляющие сегодня вещество нашей Вселенной.

  • Эти вспомогательные установки предназначены для решения самых разнообразных задач. 
  • Эксперимент TOTEM посвящен точному измерению сечения протон-протонного взаимодействия, а также углубленному изучению структуры протона, которая до сих пор плохо исследована. 
  • Целью эксперимента MOEDAL является прямой поиск магнитного монополя — гипотетической частицы с магнитным зарядом, а также высокоионизированных стабильных массивных частиц (SMP), предсказанных теориями, выходящими за рамки Стандартной модели. 

Детекторы эксперимента LHCf используют частицы, выброшенные в результате столкновений в Большом адронном коллайдере в качестве источника для моделирования космических лучей в лабораторных условиях.

Столкновения внутри БАК вызывают каскады частиц, похожие на те каскады, которые образуются при столкновении заряженных частиц из космоса с ядрами в верхних слоях атмосферы.

Их изучение поможет физикам интерпретировать и калибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдераFAQ: Космические лучи сверхвысоких энергий

В 2019 году CERN одобрил новый эксперимент — FASER (ForwArd Search ExpeRiment). Он предназначен для поиска легких и слабовзаимодействующих частиц — некоторые из них могут быть связаны с темной материей. Новые легкие частицы могут постоянно образовываться в больших количествах в протон-протонных столкновениях на БАК, но ускользают от основных детекторов.

Дело в том, что после образования такие частицы проходят вдоль оси столкновения протонного пучка и отловить их там детекторы не в состоянии. Кроме того, заметить такие частицы мешает высокий фон (сопутствующие события). Новый детектор FASER будет установлен в 480 метрах от точки столкновения протонов, которая используется в эксперименте ATLAS.

Ожидается, что FASER будет запущен в 2021 году. 

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера Узнать больше

Источник: https://postnauka.ru/lists/154908

Эксперименты на Большом адронном коллайдере остановили на два года

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Оборудование для апгрейда Большого адронного коллайдера

CERN

Научные эксперименты на Большом адронном коллайдере прекращены, теперь ему предстоят два года без научной работы — ученые и инженеры будут заниматься модернизацией и ремонтом ускорителя, чтобы увеличить его светимость примерно в два раза и сделать шаг к превращению его в Большой адронный коллайдер высокой светимости (High Luminosity LHC, HL-LHC). Информация о завершении второго сезона коллайдера (Run 2) опубликована на онлайн-мониторе состояния установки.

В начале ноября на коллайдере проводили эксперименты со столкновениями ядер свинца, которые продлились чуть более трех недель.

В первой половине декабря будет идти тестирование электрических систем и магнитов ускорителя, а затем коллайдер отключат на два года, в течение этого времени коллайдер пройдет модернизацию и будет подготовлен к превращению в новую версию, в HL-LHC.

Подготовка к апгрейду началась еще в июне, его конечная цель — позволить детекторам БАКа быстрее набирать статистику, а значит повысить вероятность увидеть нечто новое.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Монитор состояния коллайдера

CERN

В БАКе сталкиваются встречные пучки протонов, разогнанных до энергии почти 7 тераэлектронвольт, результаты их столкновений фиксируют детекторы, а ученые анализируют их, пытаясь найти отклонения от предсказаний теории — Стандартной модели. Однако все процессы в физике элементарных частиц — вероятностные, поэтому, чтобы исследовать редкие процессы, надо набирать огромную статистику процессов — триллионы распадов прелестных мезонов или событий рождения бозонов Хиггса. Чтобы эксперименты могли «дотянуться» до редкого процесса нужно либо ускорять набор статистики, либо повышать энергию столкновений.

Проект HL-LHC призван ускорить набор статистики распадов, для этого нужно увеличить вероятность столкновения частиц — а значит увеличить плотность облака протонов, которые разгоняются в коллайдере. Для этого, например, понадобятся более мощные магниты.

Сейчас в ускорителе используются магниты с индукцией 8,3 тесла (примерно в 250 тысяч раз больше, чем поле Земли), для обновления коллайдера будут изготовлены около 130 новых сверхпроводящих магнитов, поле которых достигнет 11,5 тесла.

Модификация затронет и систему электропитания, будут построены новые полости и технологические туннели, чтобы облегчить обслуживание БАК и увеличить рабочее время ускорителя, будет установлено новое криогенное оборудование и системы вентиляции.

В сумме работы затронут более 1,2 километра ускорителя из 27 километров кольца.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

План модернизации БАКа

CERN

Коллайдер будет отключен до 2021 года, затем БАК проработает три года с удвоенной светимостью, а затем будет вновь остановлен на 2,5 года, после которого установка и превратится в HL-LHC со светимостью в 6–7 раз выше проектной. Как ожидается, во время сезона 2026-2036 года HL-LHC наберет в десять раз больше данных, чем за время работы БАК.

  • Подробнее о том, какие инженерные системы обслуживают работу БАК и о том, насколько сложно их техническое обслуживание, можно прочитать в нашем материале «Большой ремонт большой машины».
  • Илья Ферапонтов

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/12/02/ls2

12 фактов об адронном коллайдере

Большой адронный коллайдер как собор во славу природы. Фрагмент из книги физика Лоуренса Краусса «Почему мы существуем?».

На концептуальный проект установки ушел целый год, а еще годом позже были утверждены предложения двух коллабораций, отвечавших за основные экспериментальные детекторы.

США, которым в этой гонке ставить было не на кого, были приняты в ЦЕРН в статусе «наблюдателя», что позволило американским физикам стать ключевыми игроками в разработке и проектировании детекторов. В 1998 г.

сооружение полости, которая должна была вместить один из двух основных приборов, детектор CMS, пришлось задержать на полгода, поскольку рабочие обнаружили на строительной площадке галло-римские руины, в том числе виллу и окружающие ее поля.

Через четыре с половиной года громадные подземные пустоты для размещения двух главных детекторов были готовы.

За два следующих года 1232 громадных магнита по пятнадцать метров длиной и тридцать пять тонн весом каждый были опущены под землю на глубину пятидесяти метров через специальную шахту и доставлены на предназначенные для них места при помощи специально спроектированного погрузчика, способного перемещаться по туннелю. Через год после этого на место были опущены последние кусочки каждого из двух больших детекторов, и 10 сентября 2008 г. в 10:28 установка первый раз была официально включена.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Через две недели разразилась катастрофа. В коннекторе одного из магнитов произошло короткое замыкание, из-за которого соответствующий сверхпроводящий магнит перешел в обычное, не сверхпроводящее состояние, высвободив громадное количество энергии и вызвав механические повреждения и утечку жидкого гелия из системы охлаждения.

Повреждения оказались достаточно обширными, чтобы потребовалась доработка проекта и проверка всех паек и соединений БАКа; на работы ушло больше года. В ноябре 2009 г.

Большой адронный коллайдер наконец вновь заработал, но из-за опасений за конструкцию в режиме разгона только до семи тысяч эквивалентных масс протона (по отношению к центру масс), а не четырнадцати тысяч, как было задумано…

Эта сухая хроника ничего не говорит о тех невероятно сложных технических задачах, которые приходилось решать в ЦЕРН на протяжении пятнадцати лет с того момента, когда впервые прозвучало предложение о строительстве установки.

Если выглянуть из окна самолета перед посадкой в аэропорту Женевы, увидишь только слегка холмистые ухоженные поля и горы в отдалении. Если не знать заранее, то невозможно догадаться, что под этими полями находится самая сложная машина из всех, когда-либо построенных человеком.

Рассмотрим некоторые характеристики установки, залегающей кое-где на глубине 175 метров под этим безмятежным пасторальным ландшафтом.

  1. В туннеле шириной 3,8 метра и длиной 27 километров располагаются два параллельных кольцевых канала для пучков, которые пересекаются в четырех точках по окружности. Вдоль кольца располагаются более тысячи шестисот сверхпроводящих магнитов, большинство из которых весит более двадцати семи тонн. Туннель настолько длинен, что его кривизна почти незаметна, если посмотреть вдоль.  
  2. Для того чтобы обеспечивать работу магнитов при температуре менее двух градусов над абсолютным нулем, то есть при температуре ниже, чем у космического микроволнового фона в глубинах межзвездного пространства, используется 96 тонн сверхтекучего He. Всего используется 120 тонн жидкого гелия, который сперва охлаждают при помощи примерно десяти тысяч тонн жидкого азота. Для этого пришлось изготовить около сорока тысяч герметичных трубных соединений. Объем используемого гелия делает БАК крупнейшей криогенной установкой в мире.  
  3. Вакуум в каналах, по которым движутся пучки, по техническим требованиям должен быть более разреженным, чем вакуум открытого космоса, с которым сталкиваются астронавты при выполнении задач на внешней поверхности МКС; давление в них должно быть в десять раз ниже атмосферного давления на Луне. Наибольший объем на БАКе, где поддерживается такой вакуум, составляет девять тысяч кубических метров, что сравнимо с внутренним объемом крупного собора. 
  4. После разгона по туннелю в том или ином направлении протоны движутся со скоростью 0,999999991 скорости света, или всего примерно на 3 метра в секунду медленнее, чем свет. Энергия, которой обладает каждый протон при столкновении, эквивалентна энергии летящего комара, но сконцентрированной в радиальном объеме, в миллион миллионов раз меньшем размера этого комара. 
  5. Каждый пучок протонов складывается из 2808 отдельных сгустков, стискиваемых в точке столкновения до толщины примерно в четверть толщины человеческого волоса; в каждом сгустке насчитывается 115 миллиардов протонов. Сгустки сталкиваются между собой каждую двадцатипятимиллиардную долю секунды, и всего за секунду происходит более 600 миллионов событий — столкновений частиц. 
  6. Распределенная компьютерная сеть, разработанная для обработки данных с БАКа, является крупнейшей в мире. Необработанных данных, получаемых с установки за секунду, хватило бы, чтобы заполнить более тысячи терабайтных жестких дисков. Для шести миллионов миллиардов протон-протонных столкновений, проанализированных в одном только в 2012 г., было обработано более двадцати пяти тысяч терабайт данных — больше, чем содержится информации во всех когда-либо написанных книгах; для хранения этой информации потребовалась бы стопка CD-дисков около двадцати километров высотой. Для этого была создана распределенная по миру компьютерная сеть с 170 компьютерными центрами в тридцати шести странах. Когда установка работает, она производит около семисот мегабайт данных в секунду. 
  7. От тысячи шестисот магнитов требуется сформировать пучки достаточной интенсивности для столкновения, что эквивалентно требованию выстрелить двумя иглами с расстояния в десять километров с такой точностью, чтобы они столкнулись ровно на полпути между двумя точками стрельбы. 
  8. Настройка пучков настолько точна, что в расчет необходимо брать даже приливные явления, связанные с притяжением Луны и изменением ее положения над Женевой; под действием этих сил окружность БАКа ежедневно меняется на один миллиметр. 
  9. Чтобы сгенерировать невероятно интенсивные магнитные поля, необходимые для разгона протонных пучков, через каждый из сверхпроводящих магнитов течет ток силой около двенадцати тысяч ампер — это примерно в тысячу раз превышает ток, текущий по проводам в обычном семейном доме. 
  10. Кабели, из которых намотаны магнитные катушки коллайдера, имеют длину около 270 тысяч километров, что более чем в шесть раз превосходит окружность Земли. А если эти кабели распустить на отдельные жилы, то они протянулись бы до Солнца и обратно более пяти раз. 
  11. Полная энергия каждого пучка примерно соответствует энергии четырехсоттонного поезда, несущегося со скоростью 150 километров в час. Этой энергии хватило бы, чтобы расплавить пятьсот килограммов меди. А энергия, запасенная в сверхпроводящих магнитах, в тридцать раз превосходит эту величину. 
  12. Даже с учетом сверхпроводящих магнитов — а именно они позволяют сделать энергопотребление установки приемлемым — во время работы коллайдер расходует примерно столько же электричества, сколько потребляют суммарно все жители Женевы.
Читайте также:  Как правильно общаться с людьми с инвалидностью

Физик Виктор Вайскопф, четвертый генеральный директор ЦЕРН в 1961–1966 гг., однажды сравнил большие ускорители того времени с готическими соборами средневековой Европы. В контексте ЦЕРН и БАКа это сравнение звучит особенно интересно.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Готические соборы строились на пределе, а то и за пределами технических возможностей своего времени и требовали создания новых строительных технологий и новых инструментов.

Сотни или даже тысячи лучших мастеров из десятков стран возводили их на протяжении многих десятилетий. По сравнению с ними любые уже существовавшие на тот момент здания казались карликами.

И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить Господа.

БАК представляет собой самую сложную машину из всех когда-либо построенных человеком, и для его сооружения потребовалось разработать новые строительные технологии и новые инструменты.

Чтобы создать ускоритель и работающие на нем детекторы, потребовались почти два десятилетия усилий тысяч дипломированных ученых и инженеров из более чем сотни стран, говорящих на десятках языков и происходящих из обществ, исповедующих по крайней мере столько же религий.

Масштаб этого сооружения затмевает размеры всех машин, построенных до него. И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить и исследовать красоту природы…

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Лоуренс Краусс — серьезный физик-исследователь и один из самых известных в мире популяризаторов науки, с работами которого российский читатель только начинает знакомиться.

Повествование книги «Почему мы существуем?» разворачивается в двух планах: как эволюция Вселенной, которая в итоге привела к нашему существованию, и как эволюция нашего понимания устройства этой Вселенной.

Путеводной нитью у Краусса служит свет — не только свет разума, но и само излучение, свойства которого удивительным образом переосмысляются на всех этапах развития науки — от механики через теорию электромагнитных волн к теории относительности, квантовой электродинамике, физике элементарных частиц и современной космологии.

Издательство: «Альпина»

Источник: https://naukatv.ru/articles/424

Ожидание и реальность: результаты работы Большого адронного коллайдера

Яна Жежер |  6 февраля 2018, 14:33

Европейский центр ядерных исследований, или просто ЦЕРН, – место, где рядом с вами в столовой запросто может обедать нобелевский лауреат по физике. Он известен во всем мире благодаря самому мощному ускорителю частиц – Большому адронному коллайдеру. Спустя почти десять лет работы пришло время подвести итог – оправдал ли надежды ученых один из самых амбициозных научных проектов современности?

В 2008 году я училась в десятом классе. Несмотря на то, что в те годы я еще совершенно не интересовалась физикой, волна ажиотажа не смогла обойти меня стороной: из каждого утюга трубили, что вот-вот запустят «машину судного дня».

Что как только Очень Важный Директор поднимет рубильник, образуется черная дыра и нам всем конец.

В день официального старта Большого адронного коллайдера некоторые учителя даже позволили на своих уроках посмотреть репортаж с места событий.

Самого страшного не произошло. По большому счету, не произошло ничего – рубильник был поднят, на экране компьютера заскакали непонятные простому обывателю цифры, а ученые начали праздновать. В общем, зачем запускали, было непонятно.

Несомненно, без Большого адронного коллайдера ученые не смогли бы совершить некоторые знаменательные открытия – в том числе речь идет об обнаружении бозоне Хиггса. Но все ли из запланированного удастся реализовать, и есть ли еще перспективы у БАК – об этом и расскажем.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Эксперимент DELPHI Большого электрон-позитронного коллайдера

Старший брат: Большой электрон-позитронный коллайдер

В конце семидесятых годов XX века физика элементарных частиц развивалась семимильными шагами. Для проверки предсказаний Стандартной модели в 1976 году был предложен проект Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП или LEP – от англ. Large Electron-Positron Collider) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, от фр.

CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Среди множества различных конфигураций был выбран вариант расположения будущего эксперимента в подземном тоннеле длиной 27 километров.

Ему предполагалось ускорять электроны и позитроны до энергий порядка десятков и сотен гигаэлектронвольт: встречные пучки пересекались в четырех точках, в которых впоследствии расположились эксперименты ALEPH, DELPHI, OPAL и L3.

С точки зрения физиков энергии никогда не бывает мало: выбранный в итоге для реализации вариант БЭП был компромиссом между стоимостью и мощностью; рассматривались и туннели большей длины, способные сильнее ускорять частицы.

Итоговая энергия могла использоваться для проверки Стандартной модели, но была слишком мала для поиска так называемой «новой физики» – явлений, которые не предсказываются ее законами.

Гораздо лучше для таких целей подходят адронные коллайдеры – ускорители составных частиц вроде протонов, нейтронов и атомных ядер.

Еще в 1977 году, в момент обсуждения БЭП, Джон Адамс, директор ЦЕРН в то время, предлагал сделать туннель шире, и разместить там сразу оба ускорителя – и электрон-позитронный, и адронный. Однако, совет, принимающий итоговые решения, эту идею отклонил, и в 1981 году был утвержден проект Большого электрон-позитронного коллайдера.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Туннель Большого адронного коллайдера

На смену приходит LHC

БЭП проработал больше десяти лет: с 1989 по 2000 год.

Этому времени принадлежит ряд знаменательных экспериментов, таких как подтверждение предсказанных масс переносчиков слабого взаимодействия – W- и Z-бозонов, а также измерение различных параметров Стандартной модели с беспрецедентной точностью.

И уже в 1984 году была проведена конференция «Большой адронный коллайдер в туннеле LEP», посвященная вопросу строительства нового коллайдера после прекращения работы предшественника.

В 1991 году был окончательно утвержден проект Большого адронного коллайдера (БАК или LHC – от англ. Large Hadron Collider), при помощи которого планировалось достигнуть суммарной энергии сталкивающихся частиц в 14 тераэлектронвольт, то есть в сто раз большей, чем развивал Большой электрон-позитронный коллайдер.

В 1992 году была проведена встреча, посвященная научной программе Большого адронного коллайдера: всего было получено двенадцать заявок на различные эксперименты, которые могли бы быть построены на месте четырех точек столкновения пучков.

В течении последующих лет были одобрены два эксперимента общей направленности – ATLAS и CMS, эксперимент ALICE по изучению тяжелых ионов и LHCb, посвященный физике частиц, содержащих b-кварки.

Сооружение Большого адронного коллайдера началось в 2000 году, а первые пучки были получены уже в 2008 году: с тех пор и по сей день, помимо планового отключения, LHC в рабочем режиме ускоряет частицы и набирает данные.

Россия в ЦЕРН

Источник: https://futurist.ru/articles/1360-ozhidanie-i-realynosty-rezulytati-raboti-bolyshogo-adronnogo-kollaydera

Более 300 терабайт данных исследований Большого адронного коллайдера стали открытыми

Европейская организация по ядерным исследованиям и крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий ЦЕРН опубликовала в открытом доступе более 300 терабайт информации, собранной в рамках экспериментов Большого адронного коллайдера.

Эти данные содержат примерно только половину информации об экспериментах 2011 года с применением компактного мюонного соленоида (CMS), одного из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере.

Если точнее, речь идет о примерно 250 триллионах столкновений элементарных частиц.

Школьники проанализируют данные Большого адронного коллайдера

Несмотря на кажущуюся сложность подобных данных для простых обывателей, ЦЕРН сделал все возможное, чтобы эта информация была доступной и понятной рядовым гражданам.

Данные доступны для загрузки в двух форматах: в виде «набора первоначальный данных», которые используются самими сотрудниками ЦЕРН, а также в виде «адаптированных данных», понять которые сможет более широкий круг людей, необязательно владеющих знаниями в физике элементарных частиц.

В ЦЕРН указывают, что обработка второго формата данных «потребует гораздо меньше мощности компьютеров и может быть готова для анализа студентов старших классов и университетов». Организация также разработала на базе своего собственного анализатора специальное приложение CernVM, которое позволяет упростить работу с этими данными.

Демонстрация столкновения элементарных частиц внутри БАКа

«Как только мы закончили самостоятельное изучение полученных данных, мы не увидели никаких причин для того, чтобы не сделать эти данные доступными для широкой общественности», — комментирует Кати Лассилья-Перини, руководитель проектов CMS.

«Польза от этого видится очень обширной. Ведь информация может вдохновить не только учеников старших классов, но и будет очень интересной для специалистов, занимающихся физикой элементарных частиц.

От себя добавлю, что как координатор сохранности данных, полученных CMS, я согласна с тем, что открытость данных является одним из наиболее эффективных способов быть уверенным в долгой сохранности подобной научно-исследовательской информации».

Подобные шаги являются не просто желанием ЦЕРН быть максимально прозрачными и открытыми в своих исследованиях.

Например, в 2014 году было опубликовано в открытый доступ 17 терабайт информации об экспериментах на БАКе в 2010 году, что привело к тому, что физики всего мира начали проведение глубокого анализа даже той информации, на которой у специалистов ЦЕРН даже не было времени. Желание новых открытий и достижений объединяет людей со всего мира.

Источник: https://Hi-News.ru/research-development/bolee-300-terabajt-dannyx-issledovanij-bolshogo-adronnogo-kollajdera-stali-otkrytymi.html

Большой адронный коллайдер: назначение, открытия и мифы

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).

10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.

Как выглядит Большой адронный коллайдер

Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.

Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.

Где находится коллайдер

Как работает Большой адронный коллайдер

Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.

БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.

Откуда берутся протоны в для столкновения?

Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.

БАК состоит из трёх основных частей:

  1. Ускоритель частиц. Разгоняет и сталкивает протоны с помощью системы мощных электромагнитов, расположенных вдоль всего тоннеля.
  2. Детекторы. Результаты столкновения нельзя наблюдать напрямую, поэтому мощные детекторы улавливают максимум данных и направляют их на обработку.
  3. Грид. С детекторов поступают петабайты данных. Для их интерпретации используется грид-инфраструктура — сеть из компьютеров в 36 странах, которые совместно образуют один суперкомпьютер. Но даже этого хватает только на обработку 1% данных.

Момент столкновения частиц

Зачем нужен Большой адронный коллайдер

С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.

Ещё много интересного в наших соцсетях

Что если изобретут телепортацию

Какие открытия совершили на БАК

На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.

Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.

С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.

Может ли коллайер уничтожить Землю

С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.

Есть две причины, чтобы не волноваться.

  1. На БАК не происходит ничего такого, чего не делают космические лучи, которые ежедневно попадают на Землю, и эти лучи не создают чёрных дыр.
  2. Даже если Большой адронный коллайдер действительно создаст чёрную дыру, то она будет крошечной. Чем меньше чёрная дыра, тем короче ее жизнь. Такая чёрная дыра превратится в энергию, прежде чем сможет причинить вред людям.

Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!

Источник: https://topor.info/hi-tech/bolshoj-adronnyj-kollajder

Ссылка на основную публикацию