Большой адронный коллайдер (БАК) – что это такое?
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». 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.
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):
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).
В наше время наука применяет различные способы объединения фундаментальных взаимодействий:
— 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.
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.
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
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:
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 из 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.
Прочие научные результаты БАК:
— проведены исследования базовых статистических параметров столкновений протонов, оценка числа рожденных адронов, корреляции мезонов;
— продемонстрировано, что не существует асимметрия протонов и антипротонов;
— наблюдались необычные корреляции протонов, летящих по весьма различным траекториям;
— уточнены параметры возможных контактных взаимодействий кварков;
— 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.
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/c 2 (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 комментариях.
Большой адронный коллайдер. Справка
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) ‑ ускоритель, предназначенный для разгона элементарных частиц (в частности, протонов). Находится на территории Франции и Швейцарии и принадлежит Европейскому совету по ядерным исследованиям (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN, ЦЕРН).
ЦЕРН ‑ крупнейший в мире научный центр в области физики высоких энергий, который был основан близ Женевы в 1954 году для обеспечения сотрудничества среди европейских государств в области ядерных исследований.
В настоящее время ЦЕРН объединяет 20 государств. При этом страны‑наблюдатели, в том числе и Россия, активно участвуют в различных проектах. В научных учреждениях ЦЕРН на постоянной основе или в рамках международного сотрудничества трудятся порядка 10 тысяч физиков и инженеров из различных стран. Около тысячи из них ‑ представители российского научного сообщества. Помимо открытий в области физики, ЦЕРН известен тем, что в его стенах в 1989 году был предложен проект Всемирной паутины (World Wide Web).
Идея сооружения Большого адронного коллайдера появилась в 1984 году, однако официально была одобрена лишь десять лет спустя. Строительство коллайдера началось в 2001 году, после завершения работы другого ускорителя ‑ Большого электрон‑позитронного коллайдера (Large Electron‑Positron Collider, LEPC).
Большой адронный коллайдер располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км (в том же, который прежде занимал Большой электрон‑позитронный коллайдер) на глубине порядка от 0,05 до 0,17 км. В целях удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, которые будут работать при температуре 1,9 градуса по шкале Кельвина (или же минус 271,3 градуса по шкале Цельсия, что лишь немногим превышает отметку абсолютного нуля). Предполагается, что скорость разогнанных протонов составит 0,999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн.
Специалисты надеются, что с помощью ускорителя смогут получить наиболее достоверную информацию о происхождении Вселенной.
Большой адронный коллайдер ‑ самая сложная экспериментальная установка и самый высокоэнергичный ускоритель элементарных частиц в мире. По своим параметрам он превосходит протон‑антипротонный коллайдер Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory, штат Иллинойс, США) и релятивистский коллайдер тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, штат Нью‑Йорк, США). Общая стоимость проекта, осуществляемого при активном содействии российских специалистов из Курчатовского института (Москва), Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И.Алиханова (Москва), Института физики высоких энергий (Протвино, Московская обл.), Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (Новосибирск) и прочих научно‑исследовательских учреждений, превышает 8 млрд долларов.
11 и 24 августа 2008 года на Большом адронном коллайдере прошли успешные предварительные испытания, а на 10 сентября 2008 года был намечен его запуск.
Вместе с тем, ряд ученых выразили свои опасения по поводу безопасности проводимого исследования. По их мнению, при моделировании этих процессов может возникнуть отличная от нуля вероятность выхода экспериментов из‑под контроля и развития цепной реакции, которая теоретически будет способна уничтожить всю нашу планету. При этом наиболее часто упоминается возможность появления микроскопических черных дыр с последующим захватом ими окружающей материи.
«Апокалиптические» настроения, связанные с готовящимся запуском Большого адронного коллайдера, оказались настолько сильны, что 21 марта 2008 года жители штата Гавайи (США) Уолтер Вагнер и Луис Санчо обратились в окружной суд штата с иском, содержащим требование временного прекращения всех работ по сооружению ускорителя и проведения дополнительной экспертизы безопасности последнего. В заявлении Вагнера и Санчо в качестве ответчика был обозначен не только Европейский совет по ядерным исследованиям, но и ряд американских организаций, принимающих участие в проекте (в частности, Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми). Иск был отклонен.
26 августа 2008 года группа европейских ученых, утверждающих, что запуск ускорителя представляет угрозу безопасности государств‑участников ЕС и их граждан, подала жалобу в Европейский суд по правам человека. Этот иск также был вскоре отклонен.
Однако уже на третий день после запуска коллайдера вышел из строя трансформатор в системе охлаждения ускорителя в одном из секторов кольца. Температура там поднялась до 4,4 градуса по Кельвину. Через несколько часов работа коллайдера была восстановлена.
Значительно более серьезный сбой случился 19 сентября. Один из свыше девяти тысяч магнитов вышел из сверхпроводящего состояния с мгновенной потерей тока. Произошло так называемое «гашение тока». Причиной стало нарушение электрического контакта между двумя магнитами. Возможность подобных происшествий также предусматривалась при строительстве ускорителя. Но все дальнейшие события были уже «внеплановыми».
Магнит продолжал нагреваться, и температура в секторе тоннеля, где случилась поломка, достигла 100 градусов по Кельвину (‑173С). В результате сбоя в тоннель ускорителя было выброшено около тонны жидкого гелия, который используется для охлаждения магнитов. Кроме того, в нескольких секторах кольца был нарушен вакуум.
Никакой опасности для обслуживающего персонала случившееся не представляло. Однако повторный запуск БАКа было решено отложить.
21 октября 2008 года в Женеве прошла церемония официального открытия Большого адронного коллайдера, которую было решено провести несмотря на происшествие.
Авария 19 сентября 2008 года не только внесла коррективы в расписание работы коллайдера, но и заставила руководство ЦЕРНа серьезно взяться за переоценку технологических рисков, связанных с эксплуатацией БАКа. Ее результатом стал ряд новых мер безопасности, которые уже внедряются. При этом выяснилось, что стоимость ремонтных работ на коллайдере была первоначально недооценена и может в конченом счете составить порядка 30 млн долларов.
Сроки повторного запуска БАКа из‑за выявления на нем новых неполадок уже несколько раз переносились. В частности, в середине июля 2009 года на коллайдере были обнаружены нарушения герметичности и утечки в системе охлаждения в секторах 8‑1 и 2‑3, из‑за чего запуск коллайдера был вновь отложен.
Как объявил ЦЕРН, пучки протонов вновь начнут циркулировать по 27‑километровому кольцу в середине ноября, а столкновения частиц начнутся несколько недель спустя.
Специалисты ЦЕРНа намерены сперва провести столкновения на энергии предыдущей ступени ускорителя ‑ 450 гигаэлектронвольт на пучок, и только затем доведут энергию до половины проектной ‑ до 3,5 тераэлектронвольт на пучок.
Однако физики отмечают, что и на этой энергии цель создания коллайдера ‑ обнаружение бозона Хиггса, частицы, отвечающей за массу всех других элементарных частиц, ‑ может быть достигнута.
БАК будет работать в этом режиме до конца 2010 года, после чего он будет остановлен для подготовки к переходу к энергии в 7 тераэлектронвольт на пучок.
В мае 2009 года в мировой прокат вышел приключенческий фильм «Ангелы и демоны» по мотивам одноименной книги Дэна Брауна.
ЦЕРН играет ключевую роль в сюжете этого произведения, и несколько эпизодов фильма были отсняты на территории ЦЕРНа. Поскольку в фильме присутствуют элементы вымысла, в том числе и при описании того, что и как изучается в ЦЕРНе, руководство ЦЕРНа сочло полезным предупредить те вопросы, которые неизбежно возникнут у многих зрителей фильма. С этой целью был запущен специальный вебсайт Angels and Demons ‑ the science behind the story. На нём в доступной форме рассказывается о тех физических явлениях, которые вплетены в сюжет фильма (прежде всего ‑ это получение, хранение и свойства антиматерии).
Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников
Блеск и нищета ускорителя Что сейчас происходит с Большим адронным коллайдером
Большой адронный коллайдер (БАК) был запущен 10 сентября 2008 года. Через девять дней в крупнейшем на планете ускорителе элементарных частиц произошла авария, и ученые вынуждены были прекратить работу на нем. Непосредственно перед запуском БАК и спустя некоторое время после поломки в СМИ появлялось огромное количество новостей о коллайдере, но постепенно информационный поток иссяк. Что сейчас происходит с БАК и вокруг него?
Фальстарт
Запуска БАК с нетерпением ждали не только физики, но и люди, которые последний раз вспоминали об этой науке в школе. Такое нетипичное внимание к исследованиям старательно поддерживалось журналистами, в том числе и далекими от науки. Кроме того, важную роль в «раскрутке» коллайдера сыграли работающие на нем специалисты, что является нетипичным для ученых поведением.
После проведения столь активной рекламной кампании специалисты БАК не могли обмануть ожидания миллионов жителей Земли и отложить запуск ускорителя. Знаменательное событие было намечено на 10 сентября 2008 года, однако незадолго до этого срока ученые столкнулись с рядом технических проблем. В назначенный день первые пучки протонов прошли по 27-километровому кольцу ускорителя. Исследователи прогнали протоны сначала по часовой стрелке, а потом и против, перевыполнив намеченную ранее программу.
Сразу после аварии стало ясно, что коллайдер получил серьезные повреждения, однако точная оценка причиненного ущерба заняла длительное время. Туннель ускорителя находится на глубине 100 метров, и в нем поддерживается стабильно низкая температура. Для того чтобы понять, что и почему произошло 19 сентября, ученым необходимо было прогреть поврежденную секцию до комнатной температуры, а затем частично разобрать конструкции БАК.
В итоговом заключении технической комиссии CERN (Европейский центр ядерных исследований, международная организация, курирующая проект БАК), выпущенном 5 декабря 2008 года, был сделан вывод, что причиной аварии стал брак при монтаже одного из контактов между магнитами. Размер причиненного ущерба был оценен в 21 миллион долларов. На ремонтные работы планировалось потратить половину этой суммы, а оставшиеся 10 миллионов должны были пойти на покупку новых магнитов.
Помимо собственно замены или ремонта поврежденных магнитов специалисты CERN разработали диагностическую систему, которая способна выявлять повреждения, способные спровоцировать новую аварию. С помощью этой системы уже были обнаружены несколько дефектных соединений в других секторах ускорительного кольца. В начале мая ученые выяснили, что некоторые контакты могут содержать дефекты несколько иного типа. Часть из них было решено заменить на новые.
Средства на устранение последствий аварии должны были предоставить страны-участники CERN. Дополнительные расходы и сами по себе не являются приятным событием, а тут еще грянул финансовый кризис. Выделение средств не на спасение экономики, а на непонятный прибор со сложным названием показалось разумной идеей не всем государствам.
В начале мая 2009 года Австрия заявила о своем желании выйти из CERN. По мнению официальных лиц, правительство смогло бы с большей пользой для страны потратить 17 миллионов, которые ежегодно уходят в бюджет CERN. Австрийские ученые восприняли решение правительства крайне негативно, и 18 мая канцлер страны объявил о том, что Австрия останется в составе CERN.
Не только БАК
Несмотря на то что на ремонт БАК уходит огромное количество ресурсов, CERN продолжает поддерживать и другие научные проекты. С 10 по 13 мая в Центре прошла конференция, посвященная их обсуждению. Для проведения большей части экспериментов ученые задействуют «разгоночные» ускорительные кольца БАК (перед тем как попасть в 27-километровый туннель, протоны набирают скорость в меньших по размеру кольцах). Программу конференции и ссылки на тексты докладов можно найти здесь.
Параллельно с чисто научной деятельностью CERN продолжает активно вести просветительскую работу. Одновременно с премьерой фильма Рона Говарда «Ангелы и демоны» был запущен сайт, на котором разъясняется суть упоминающихся в картине научных явлений. По сюжету главные герои пытаются спасти Ватикан, который злоумышленники хотят разрушить при помощи созданной в CERN антиматерии. Частично на сайте воспроизводится опубликованная ранее научно-популярная статья об антивеществе, но некоторые разделы сайта, посвященные экспериментам на БАК и бозону Хиггса, являются новыми.
Научную основу картины, снятой по мотивам одноименного романа Дэна Брауна, нельзя назвать безукоризненной. Тем не менее, представители CERN активно сотрудничают со съемочной группой и используют фильм для рекламы коллайдера. Во время визита в CERN в феврале исполнитель главной роли Том Хэнкс дал согласие принять участие в церемонии повторного запуска БАК.