Какво е коллайдер и защо е необходимо?

100 метра под земята, на границата на Франция и Швейцария, е устройство, което е в състояние да разкрие тайните на Вселената. Или, според някои, да унищожи целия живот на Земята.

Както и да е, това е най-голямата машина в света и се използва за изучаване на най-малките частици във Вселената. Това е Големият адронен (не Android) Collider (LHC).

Кратко описание

LHC е част от проект, ръководен от Европейската организация за ядрени изследвания (CERN). Колайдерът е включен в ускорителния комплекс на CERN извън Женева в Швейцария и се използва за ускоряване на протонни и йонни лъчи до скорости, приближаващи скоростта на светлината, частици, които се сблъскват помежду си и записват получените събития. Учените се надяват, че това ще помогне да научите повече за появата на Вселената и нейния състав.

Какво представлява Collider (LHC)? Това е най-амбициозният и мощен ускорител на частици, построен досега. Хиляди учени от стотици страни си сътрудничат и се конкурират помежду си в търсенето на нови открития. За да се съберат експериментални данни, по периферията на коладера се предоставят 6 места.

Откритията, направени с нея, могат да бъдат полезни в бъдеще, но това не е причината за неговото изграждане. Целта на големия адронен ускорител е да разшири познанията ни за Вселената. Като се има предвид, че LHC е на стойност милиарди долари и изисква сътрудничеството на много страни, липсата на практическо приложение може да бъде неочаквана.

За какво е адронен колайдер?

В опит да разберат нашата Вселена, нейното функциониране и нейната действителна структура, учените предлагат теория, наречена стандартен модел. Тя се опитва да идентифицира и обясни основните частици, които правят света такъв, какъвто е. Моделът съчетава елементи Теорията на относителността на Айнщайн с квантова теория. Той също така взема предвид 3 от четирите основни сили на Вселената: силни и слаби ядрени взаимодействия и електромагнетизъм. Теорията не засяга четвъртата основна сила - гравитацията.

Стандартният модел даде няколко прогнози за Вселената, които са в съответствие с различни експерименти. Но има и други аспекти, които изискват потвърждение. Една от тях е теоретична частица, наречена хигсов бозон.

Откритието му дава отговор на въпросите за масата. Защо материята го притежава? Учените са идентифицирали частици, които нямат маса, например неутрино. Защо някои го имат, но други не? Физиците са предложили много обяснения.

Най-простият от тях е механизмът на Хигс. Тази теория казва, че има частица и съответстващата й сила, която обяснява наличието на маса. Това никога не е било наблюдавано преди, така че събитията, създадени от LHC, трябва или да докажат съществуването на бозона на Хигс, или да предоставят нова информация.

Друг въпрос, който учените задават, е свързан с раждането на Вселената. Тогава материята и енергията бяха едно. След разделянето им частиците на материята и антиматерията се разрушават. Ако броят им беше равен, тогава нищо нямаше да остане.

Но, за щастие за нас, във вселената имаше повече материя. Учените се надяват да наблюдават антиматерия, докато LHC работи. Това може да помогне да се разбере причината за разликата в количеството материя и антиматерия, когато Вселената е започнала.

Тъмна материя

Съвременното разбиране за вселената предполага, че досега може да се наблюдава само около 4% от материята, която трябва да съществува. Движението на галактики и други небесни тела предполага, че има много повече видима материя.

Учените са наричали това неопределено тъмно. Наблюдаваното и тъмната материя е около 25%. Другият 3/4 идва от хипотетична тъмна енергия, която допринася за разширяването на Вселената.

Учените се надяват, че техните експерименти или ще предоставят допълнителни доказателства за съществуването на тъмна материя и тъмна енергия, или ще потвърдят алтернативна теория.

Но това е само върхът на айсберга на физиката на елементарните частици. Има още по-екзотични и противоречиви неща, които трябва да бъдат разкрити и защо е нужен коллайдерът.

Голям взрив

Чрез изтласкване на протоните при достатъчно висока скорост, LHC ги разделя на по-малки атомни подчастици. Те са много нестабилни и преди разпадане или рекомбинация има само частица секунда.

Според теорията за Големия взрив, първоначално всички те се състоят от материя. С разширяването и охлаждането на Вселената те се сливали в по-големи частици, като протони и неутрони.

Необичайни теории

Ако теоретичните частици, антиматерията и тъмната енергия не са достатъчно екзотични, някои учени смятат, че LHC може да предостави доказателства за съществуването на други измерения. Смята се, че светът е четириизмерен (триизмерно пространство и време). Но физиците предполагат, че може да има други измерения, които хората не могат да възприемат. Например една версия на теорията на струните изисква най-малко 11 измервания.

Привържениците на тази теория се надяват, че LHC ще предостави доказателства за предложения от тях модел на Вселената. Според тях основните градивни елементи не са частици, а низове. Те могат да бъдат отворени или затворени и вибрират като китара. Разликата в вибрациите прави струните различни. Някои се проявяват под формата на електрони, докато други се реализират като неутрино.

Какво е коллайдер в числа?

LHC е масивен и мощен дизайн. Състои се от 8 сектора, всяка от които е дъга, ограничена във всеки край от секция, наречена „вмъкване“. Обиколката на коладера е 27 км.

Ускорителните тръби и камерите за сблъсък са разположени на 100 метра под земята. Достъпът до тях се осигурява от сервизен тунел с асансьори и стълби, разположени на няколко места по обиколката на LHC. CERN също така е построил наземни сгради, където изследователите могат да събират и анализират данни, генерирани от детектори на колайдери.

За контрол на протонните лъчи, движещи се със скорост 99,99% скоростта на светлината Използват се магнити. Те са огромни, тежащи няколко тона. В LHC има около 9 600 магнита. Те се охлаждат до 1.9K (-271.25 ° C). Тя е под температурата на космоса.

Протоните вътре в коллайдера преминават през тръбите с ултра-висок вакуум. Това е необходимо, така че да няма частици, които биха могли да срещнат, преди да достигнат целта. Една молекула газ може да доведе до неуспех на експеримента.

Има 6 секции по обиколката на голям коллайдер, където инженерите могат да провеждат своите експерименти. Те могат да бъдат сравнени с микроскопи с цифров фотоапарат. Някои от тези детектори са огромни - ATLAS е устройство с дължина 45 метра, височина 25 метра и тегло 7 тона.

В LHC работят около 150 милиона сензори, които събират данни и го изпращат в компютърната мрежа. Според CERN, количеството информация, получена по време на експериментите е около 700 MB / s.

Очевидно такъв коллайдер се нуждае от много енергия. Годишната му консумация на енергия е около 800 GWh. Можеше да е много по-голям, но съоръжението не работи през зимните месеци. Според CERN цената на енергията е около 19 милиона евро.

Сблъсък на протон

Принципът, който стои в основата на физиката на коладера, е доста прост. Първо се пускат две греди: една по посока на часовниковата стрелка, а втората срещу. И двата потока се ускоряват до скоростта на светлината. След това те се изпращат един към друг и наблюдават резултата.

Оборудването, необходимо за постигане на това, е много по-сложно. LHC е част от комплекса CERN. Преди да влязат частици в LHC, те вече преминават през поредица от стъпки.

Първо, за да произведат протони, учените трябва да лишат водородните атоми от електроните. След това частиците се изпращат към инсталацията на LINAC 2, която ги пуска в PS ускорителя. Тези машини използват променливо електрическо поле за ускоряване на частиците. Полетата, създадени от гигантски магнити, помагат за задържане на гредите.

Когато лъчът достигне желаното енергийно ниво PS Booster го насочва към SPS супер синхротрона. Потокът се ускорява още повече и се разделя на 2808 лъча с 1.1 x 1011 протона. SPS въвежда лъчи в LHC по посока на часовниковата стрелка и обратно.

Вътре в големия адронен ускорител протоните продължават да ускоряват в продължение на 20 минути. При максимална скорост те извършват 11245 оборота около LHC всяка секунда. Лъчите се събират на един от 6-те детектора. Когато това се случи, 600 милиона сблъсъка в секунда.

Когато два протони се сблъскат, те се разделят на по-малки частици, включително кварки и глуони. Кварки са много нестабилни и се разпадат в част от секундата. Детекторите събират информация чрез проследяване на пътя на субатомните частици и го изпращат в компютърната мрежа.

Не всички протони се сблъскват. Останалите продължават да се придвижват към секцията за изпускане на лъча, където се абсорбират от графит.

детектори

По обиколката на коладера има 6 секции, в които се събират данни и се провеждат експерименти. От тях 4 са основни детектори и 2 са по-малки.

Най-големият е ATLAS. Размерите му са 46 x 25 x 25 м. Тракера открива и анализира импулса на частици, преминаващи през ATLAS. Той е заобиколен от калориметър, измерващ енергията на частиците, която ги поглъща. Учените могат да наблюдават траекторията на тяхното движение и да екстраполират информация за тях.

Детекторът ATLAS също има муон-спектрометър. Мюоните са отрицателно заредени частици 200 пъти по-тежки от електроните. Те са единствените, които могат да преминат през калориметъра без да спират. Спектрометърът измерва инерцията на всеки муон чрез сензори на заредени частици. Тези сензори могат да откриват колебания в магнитното поле ATLAS.

Компактният мюонов соленоид (CMS) е детектор с общо предназначение, който открива и измерва субчастици, освободени по време на сблъсъци. Устройството е разположено вътре в гигантски електромагнитен магнит, който може да създаде магнитно поле, което е почти 100 хиляди пъти по-голямо от Магнитно поле на Земята.

Детекторът ALICE е предназначен за изследване на сблъсъци на железни йони. По този начин изследователите се надяват да пресъздадат условия, подобни на тези, настъпили веднага след Големия взрив. Те очакват да видят как йони се превръщат в смес от кварки и глуони. Основният компонент на ALICE е TPC камерата, която служи за изследване и пресъздаване на траекторията на частиците.

LHC се използва за търсене на доказателства за съществуването на антиматерия. Той прави това, като търси частица, наречена хубав кварк. Няколко поддитектора, които заобикалят точка на сблъсък, са с дължина 20 метра. Те могат да вземат много нестабилни и бързо разлагащи се частици от красиви кварки.

Експериментът TOTEM се провежда на място с един от малките детектори. Той измерва размера на протоните и яркостта на LHC, което показва точността на създаването на сблъсък.

Експериментът LHC симулира космическите лъчи в контролирана среда. Неговата цел е да подпомогне развитието на мащабни изследвания на реални космически лъчи.

Екип от изследователи, наброяващи от няколко десетки до повече от хиляда учени, работи на всяко място за откриване.

Обработка на данни

Не е изненадващо, че такъв коллайдер генерира огромен поток от данни. 15,000,000 GB, получени годишно от детектори на LHC, представляват огромно предизвикателство за изследователите. Неговото решение е компютърна мрежа, състояща се от компютри, всяка от които е в състояние самостоятелно да анализира част от данните. Веднага след като компютърът завърши анализа, той изпраща резултатите на централния компютър и получава нова партида.

Учените от ЦЕРН решиха да се съсредоточат върху използването на сравнително евтина техника за извършване на техните изчисления. Вместо да закупувате модерни сървъри и процесори, се използва съществуващ хардуер, който може да работи добре в мрежата. С помощта на специален софтуер, мрежа от компютри ще може да съхранява и анализира данните от всеки експеримент.

Опасност за планетата?

Някои се опасяват, че такъв могъщ ускорител може да представлява заплаха за живота на Земята, включително участие в образуването на черни дупки, „странни материи“, магнитни монополи, радиация и др.

Учените последователно отхвърлят подобни твърдения. Образуването на черна дупка е невъзможно, тъй като има голяма разлика между протоните и звездите. "Странната материя" можеше да се формира отдавна под влиянието на космически лъчи и опасността от тези хипотетични образувания е силно преувеличена.

Колайдерът е изключително безопасен: той е отделен от повърхността с 100-метров слой почва, а персоналът не е позволен да бъде под земята по време на експериментите.