Большой адронный коллайдер

Пнд, 10/07/2013 - 21:13


Общий вид детектора CMS

Детектор ATLAS в процессе сборки

Проекционная камера детектора ALICE



Характерно, что запуск адронного коллайдера и будущие эксперименты с его использованием вызвали неподдельный интерес не только у физиков, как это обычно бывало, но и у «широких кругов общественности». Эксперименты и их вероятные мрачные последствия бурно обсуждались в Интернете, на телевидении и в печати. Газеты пестрели заголовками — «Большой адронный коллайдер — путь к катастрофе или открытиям?», «Большой адронный коллайдер — конец света!», «БАК: Будет Аннигиляционная Катастрофа?» и т.д. Страхи касались в первую очередь истории о страшной черной дыре, которая возникнет в месте столкновения частиц и, быстро разрастаясь, через некоторое время пожрет не только Женевский аэропорт и Юрские горы, но и всю нашу планету. Кроме того, было озвучено еще несколько апокалиптических сценариев, включающих превращение всех атомных ядер нашей планеты в так называемое «странное» вещество, разрушение протонов магнитными монополями и даже стремительное крушение привычной нам структуры всей Вселенной при расширении созданного в ускорителе пузыря «истинного» вакуума.

Появились и мрачные анекдоты, как например:
— У физиков есть традиция — раз в 50 миллиардов лет (считается, что именно столько времени прошло с момента Большого взрыва, в результате которого и возникла наша Вселенная) они собираются и строят адронный коллайдер...
— Черные дыры — это места, где инопланетяне изобрели коллайдеры раньше нас.
— Что все так боятся адронного коллайдера? Говорят же вам, ничего не будет! В радиусе 30 световых лет ничего не будет!

Дело дошло даже до судов… 30 августа в Европейском суде по правам человека в Страсбурге состоялось судебное разбирательство, на котором слушался иск группы ученых, которые, пытаясь запретить запуск Большого адронного коллайдера, заявляли, что эксперимент может привести к непредсказуемым последствиям, угрожающим всей Земле. Речь шла о теоретической возможности появления в коллайдере микроскопических черных дыр, а также возможности образования сгустков антиматерии и магнитных аномалий с последующей неконтролируемой цепной реакцией захвата окружающей материи.
Словом, страх перед этим доселе невиданным экспериментом разбудил фантазию человечества. Так же, как это было перед испытанием первой водородной бомбы. Ведь тогда даже некоторые физики всерьез опасались, что ее взрыв инициирует термоядерную реакцию по всей планете — и она вспыхнет, словно новая звезда. Но этого не случилось, потому что мощности даже миллиарда самых мощных водородных бомб (типа советской «Кузькиной матери») было бы для этого, конечно же, недостаточно.

Кстати, все современные физические эксперименты и исследования требуют очень мощную компьютерную технику. Эта техника дорого стоит и должна быть в идеальном рабочем состоянии. Поддерживают компьютеры в "здравии" высоквалифицированные специалисты. Они же производят абонентское обслуживание компьютеров, которое доступно каждому из вас.

Что такое Большой адронный коллайдер?

Итак, что же такое Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; русск. сокр. — БАК)?
Большой адронный коллайдер — это типичный (хотя и сверхмощный) ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. По существу БАК — это микроскоп, с помощью которого физики будут пытаться разглядеть, из чего и как сделана материя, получая сведения об ее устройстве на новом, еще более микроскопическом уровне. Вспомним, что еще древнегреческий философ Демокрит высказал догадку о том, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов («атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но доказательство этому ученые нашли только спустя много веков, заодно выяснив, что атом на самом деле разделить можно, — он состоит из электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. На сегодняшний день физики считают, что кварки — предел деления материи и ничего меньше не существует. Известно шесть типов кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского слова glue — клей).

Само слово «коллайдер» происходит от английского collide — сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. Тогда как в обычных ускорителях, которые строятся и работают вот уже несколько десятилетий (первые их модели, относительно умеренных размеров и мощности, появились еще в 30-х годах XX века), пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.

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

Но разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, который имеет электрический заряд, что связано с самим принципом работы ускорителя (использование им электромагнитных полей). Например, нейтрон — частица нейтральная, что видно даже из его названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами экспериментов, проводимых в БАК, станут протоны (ядра атомов водорода и тяжелые ядра свинца).


Установка магнитного супермодуля детектора ALICE

Одна из половинок детектора CMS


Магниты детектора LHCb

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

Итак, большим БАК назван из-за своих размеров; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером — из-за того, что в нем пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах.

Впервые о сооружении Большого адронного коллайдера заговорили в 1984 году, причем толчком к этому послужил доклад, сделанный на международном конгрессе физиков в США, в котором американцы представили сенсационный проект — 80-километрового коллайдера. По воспоминаниям д.ф.-м.н. А. Довбни (директора института Физики высоких энергий и ядерной физики Национального научного центра Харьковский физико-технический институт), участвовавшего в этом конгрессе: «Шокированные европейские физики предложили встретиться с советской делегацией и выработать некое предложение, которое, как говорится, давало бы какую-то перспективу Европе. Мы две ночи вместе поработали тогда и на заключительном этапе представили рукописную часть на нескольких страницах». Эти несколько страниц и стали началом Большого адронного коллайдера. Однако официальный статус идея обрела лишь десять лет спустя, а само строительство Большого адронного коллайдера, (в котором приняли участие физики из 500 научно-исследовательских учреждений, 80 стран мира) началось только в 2001 году, после завершения работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron Positron Collider, LEPC). Дело в том, что для нового ускорителя использовали тот же туннель, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Этот туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землей и располагается по обе стороны границы между Швейцарией и Францией, что еще раз подчеркивает международный статус проекта. Этому же соответствуют и финансовые затраты — на сегодняшний день стоимость постройки БАК оценивается в 16 млрд. долларов США.

Предполагается, что скорость разогнанных БАКом протонов составит 0,999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн. Суммарная энергия сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектрон-вольт, или 14•1012 электрон-вольт), а ядер свинца — 5,5 ГэВ (5,5•109 электрон-вольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Таким образом, БАК будет самым высокоэнергетичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер «Тэватрон», который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжелых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Кстати, самым высокоэнергетичным ускорителем БАК имеет шанс остаться еще очень надолго. Дело в том, что специалисты считают, что техника создания ускорителей сегодня подошла к своему пределу и поэтому еще более мощный ускоритель вряд ли будет создан без кардинальных, революционных изменений в ускорительной технике. Если, например, в электронике или компьютерной технике постоянно идет миниатюризация при одновременном росте работоспособности, то для ускорителей в этом смысле наступил предел. Построить еще больший ускоритель по аналогичной схеме нереально, и никто за это уже не возьмется.

Устройство Большого адронного коллайдера

Итак, как же работает большой адронный коллайдер? В основе работы БАК, как и всех ускорителей, заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Как уже упоминалось, скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо.



Монтаж камеры детектора TOTEM

Стенд испытания магнитов

Модуль БАК

Здесь частицы ускоряются и летят внутри двух круговых замкнутых труб, проложенных под землей в туннеле: в одной трубе частицы летят по часовой, а в другой — против часовой стрелки. Так как туннель проходит как раз под границей Швейцарии и Франции, то протоны пересекают границу этих стран около 20000 раз в секунду. Чтобы воздух не мешал полету частиц, в трубах создается высокий вакуум.

Все кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов. Под воздействием магнитного поля элементарные частицы не улетают прочь по касательной, а остаются внутри кольца. Кроме того, специальные фокусирующие магниты не дают протонам во время движения колебаться в продольном направлении и задевать стенки вакуумной трубы, в которой осуществляется движение.

Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Магниты используются двух видов — квадропульные (392 шт.) и дипольные (1232 шт.). Именно дипольные магниты удерживают частицы, тогда как квадропульные магниты нужны для того, что бы максимально повысить шансы на взаимодействие частиц, которое может произойти в местах пересечения труб. Общий вес одного магнита составляет более 27 тонн.

Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для приведения в рабочее состояние их необходимо охлаждать до температуры 1,9 К (или –271,3 градуса по Цельсию). Это ниже, чем температура в открытом космическом пространстве (2,7 К или –270,5 градуса по Цельсию). Чтобы охладить 36800 тонн конструкции и получить космический холод в земных условиях, для БАК пришлось создать мощнейшую криогенную систему, содержащую более 40000 герметичных сварных швов, и использующую 10000 тонн жидкого азота и 130 тонн жидкого гелия.

В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. В точке столкновения протонов ожидается температура более чем в 100 тыс. раз выше, чем в центре Солнца, при том, что сверхпроводящие магниты в БАКе будут охлаждены до –271,3 градуса по Цельсию. Так что, можно сказать, БАК — это одновременно и самая горячая, и самая холодная машина в мире.

Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.

При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» — элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в будущем по тем же трубам будут ускорять не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.

Однако столкнуть две частицы «лоб в лоб» — это только половина дела. К сожалению, сегодня в распоряжении ученых нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму, которая исчезнет без следа через ничтожно короткий промежуток времени — 10-23 секунды. О результатах эксперимента приходится судить по следам, оставленным частицами, родившимися в ходе эксперимента. Как шутят физики, это не легче, чем воссоздать облик Чеширского кота из книги Л. Кэрролла «Алиса в стране чудес» по его исчезающей в воздухе улыбке.

Для регистрации частиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы — детекторы. Их шесть — 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) и LHCf (The Large Hadron Collider forward).
Детектор под названием ALICE предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы. Детекторы ATLAS и CMS, как надеются физики, смогут «поймать» бозон Хиггса и темную материю. Задача детектора LHCb — исследование физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией. TOTEM — для изучения «несталкивающихся частиц» (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же «несталкивающихся частиц».

Количество информации, получаемой этими детекторами беспрецедентно велико, к тому же ее требуется передавать во все страны, где работают участники экспериментов. Поэтому в ЦЕРНе создается новая система для быстрого распространения огромных массивов данных — GRID. Эта система должна будет хранить и обсчитывать данные, получаемые с детекторов ускорителя. Поток данных будет достигать 15 млн. гигабайт в год, что соответствует стопке из 100 тыс. DVD. Возможно, система GRID станет и прообразом нового Суперинтернета. Учитывая, что сам Интернет и Всемирная паутина родились именно в ЦЕРНе. Здесь уже в 80-е годы стала насущной задача быстрой передачи больших массивов данных среди многих пользователей — больших международных коллективов ученых, разбросанных по всем континентам. В результате в ЦЕРНе был впервые создан прототип Всемирной паутины и разработано соответствующее программное обеспечение.

Во время работы коллайдера расчетное потребление энергии составит 180 МВт. Заявочные энергозатраты на работу БАКа в 2009 году планировались в объеме 700 ГВт•ч, а это около 10 % от суммарного годового энергопотребления всего кантона Женева. Кстати, сам ЦЕРН не производит энергию, имея в своем распоряжении лишь резервные дизельные генераторы.

Другие материалы рубрики


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3