Большой адронный коллайдер — главный инструмент современных физиков

Большой адронный коллайдер — главный инструмент современных физиков

статьи | Jul 02, 2019 | Наука и Образование | 1416

Как устроен Большой адронный коллайдер, зачем его построили и для чего снова модернизируют?

Исследование законов, которые лежат в основе существования нашей Вселенной, — сложнейшая задача, над которой ученые бьются с античных времен. Человечество всегда занимали вопросы: из чего состоит окружающий мир? Как устроена материя на самом мелком уровне и есть ли у вещества вообще предел делимости?

Демокрит считал, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, форма которых определяет свойства вещества. Собственно говоря, с древнегреческого слово «атом» и переводится как «неделимый». Мы до сих пор используем этот термин, хотя уже давно знаем, что атомы состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов, а ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, распадаются на кварки. На этом уровне привычная нам ньютоновская физика уже не работает, и частицы взаимодействуют по законам квантовой механики.

Как же изучать объекты, размеры которых настолько малы, что рассмотреть их не поможет никакое, даже самое мощное увеличение? Ведь любой микроскоп сам состоит из атомов.

Для того чтобы понять, как устроены элементарные частицы, из чего они состоят и каким воздействиям подвержены, ученые ускоряют их до огромных скоростей, а затем сталкивают. В результате столкновения на короткое время происходит расщепление частиц, и с помощью специальных детекторов можно зафиксировать отдельные составляющие, на которые распались изначальные частицы. Таким образом ученые изучают свойства уже известных элементарных частиц, а также открывают новые.

Знаменитый бозон Хиггса, существование которого было теоретически обосновано еще в 1964 году, после многолетних экспериментов удалось обнаружить с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) в 2012 году.

БАК — самый масштабный международный проект в области науки, который помогает физикам экспериментально проверять теоретические модели устройства материи и Вселенной. Строительство БАК было начато в 2001 году. В 2008 году коллайдер был испытан и сдан в эксплуатацию. В 2010–2012 годах прошел первый полноценный сеанс работы БАК. После этого ускоритель модернизировали в течение двух лет. В обновленной комплектации он проработал до конца 2018 года. Сейчас в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) идут работы по очередному апгрейду, благодаря которому физики планируют существенно увеличить эффективность установки.

Читать еще:  Вторая космическая скорость: преодолеть гравитацию

100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?

100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?

Решение о том, чтобы построить #суперколлайдер , было единогласно одобрено Советом #церн 19 июня после утверждения плана независимой группой экспертов в марте. Согласно этому плану, первое столкновение электронов с их античастицами, позитронами, произойдёт ближе к середине текущего века. То есть мы сможем непосредственно наблюдать, как сталкиваются материя и #антиматерия . Одной из основных целей первой части проекта является #бозон хиггса , а если совсем точно, то его свойства. Во второй половине столетия будет создан протон-протонный ускоритель, для чего предполагается достичь энергии столкновения 100 тераэлектронвольт (ТэВ) (в БАК она равна 16 ТэВ).

Целью второго этапа станет поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или, возможно, замена нынешней стандартной модели физики частиц. Начать строительство, согласно одобренному 19 июня документу, предполагается в 2038 году. Правда, проекту придётся преодолеть несколько серьёзных проблем.

Первая проблема — финансирование. Для строительства потребуется, как минимум, $21 миллиард, что совершенно выходит за рамки регулярного бюджета, который CERN получает от государств-членов. Было даже высказано предположение о создании новой мировой научной организации, в которую войдут европейские страны, а также Япония, Китай и США.

Другая проблема заключается в том, что огромная часть технологий, которые потребуется для ускорителя второго этапа, ещё не разработаны. Хотя здесь есть и положительный момент — эти технологии станут предметом интенсивного изучения на ближайшие десятилетия. До создания нового коллайдера CERN будет продолжать эксплуатировать модернизированную версию нынешнего под названием High Luminosity LHC, который в настоящее время строится, а ориентировочно с 2024 года начнётся, собственно, модернизация, которая продлится около 2,5 лет. Так почему вообще коллайдер?

Читать еще:  Биография Энрико Ферми

Дело в том, что на сегодняшний день у нас нет столь же надёжного эквивалентного способа искать ответы на вопросы мироздания. В конце концов, именно ускоритель частиц может помочь открыть антиматерию, которая позволит нам путешествовать между звёздами. Вполне вероятно, что в итоге мы дойдём и до строительства коллайдера космических масштабов, но для начала надо достичь текущую цель

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.

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

Читать еще:  Планковская длина и объем - что это такое

Уничтожит ли коллайдер Вселенную?

Вокруг БАК существует огромное количество мифов, среди которых есть и утверждение, что ускоритель способен уничтожить нашу планету или даже всю Вселенную.

Обоснование этого мифа строится на теории о том, что Вселенная, в которой мы живем, нестабильна, а столкновения на коллайдере могут породить более стабильную версию Вселенной, которая начнет разрастаться и разрушать нашу версию.

Опровергнуть подобные суждения довольно просто. Ведь во Вселенной постоянно происходят естественные процессы, которые ускоряют и сталкивают бесчисленное количество частиц с энергиями, которые на БАК просто недостижимы. И если бы существовала малейшая вероятность, что подобные столкновения приведут к «вселенской катастрофе», то это уже давно бы случилось.

Есть ли ускорители в России

Адронный коллайдер — это дорогостоящий, но не такой уж редкий прибор. Строить их начали около семидесяти лет назад. В России есть два действующих андронных коллайдера и один, NICA, в процессе строительства. Закончить его монтаж планируют уже к 2020 году.

NICA строится в небольшом научном городке под названием Дубна, который стоит на Волге. Прибор будет гораздо менее мощным, чем БАК, но он и направлен на решение совсем другой задачи. NICA будет использоваться для того, чтобы смоделировать состояние вселенной в первую секунду после Большого взрыва. Ученые считают, что в то мгновение вещество находилось в ином агрегатном состоянии. Это не была жидкость, газ или твердое тело, это была кварк-глюонная плазма. Своеобразный суп из кварков.

В туннелях адронного коллайдера повторят Большой взрыв на микроуровне, чтобы посмотреть на мир в процессе его зарождения: ионы золота превратят в кварковый суп и проведут эксперименты для изучения его свойств — неизведанных свойств четвертого (а точнее первого) агрегатного состояния вещества. В случае успеха этих исследований на фундаментальные вопросы о возникновении мира, сущности пространства и времени будут получены вполне конкретные ответы. И кто знает, как это повлияет на состояние современной науки и какие новые технологии появятся в результате этих открытий.

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector