Адронний колайдер: запуск. Великий адронний коллайдер навіщо потрібен і де знаходиться?

Історія створення прискорювача, який ми знаємо сьогодні як великий адронний коллайдер, починається ще з 2007 року. Спочатку хронологія прискорювачів почалася з циклотрона. Прилад являв собою невеликий пристрій, який легко вміщувалося на столі. Потім історія прискорювачів стала стрімко розвиватися. З`явився синхрофазотрон і синхротрон.

В історії, мабуть, найцікавішим став період з 1956 по 1957 роки. У ті часи радянська наука, зокрема фізика, не відставала від зарубіжних братів. Використовуючи напрацьований роками досвід, радянський фізик на ім`я Володимир Векслер зробив прорив у науці. Ним був створений найпотужніший на ті часи синхрофазотрон. Його робоча потужність дорівнювала 10 гігаелектронвольт (10 млрд електронвольт). Після цього відкриття створювалися вже серйозні зразки прискорювачів: великий електронно-позитронний колайдер, Швейцарський прискорювач, у Німеччині, США. Всі вони мали одну спільну мету - вивчення фундаментальних частинок кварків.

Великий адронний колайдер було створено в першу чергу завдяки старанням італійського фізика. Ім`я йому Карло Руббіа, лауреат Нобелівської премії. Під час своєї діяльності Руббіа працював директором в Європейській організації з ядерних досліджень. Вирішено було побудувати і запустити адронний коллайдер саме на місці центру досліджень.

Де адронний коллайдер?

Коллайдер розміщений на кордоні між Швейцарією і Францією. Довжина його кола становить 27 кілометрів, тому його і називають великим. Кільце прискорювача йде вглиб від 50 до 175 метрів. У колайдері встановлено +1232 магніту. Вони є надпровідними, а значить з них можна виробити максимальне поле для розгону, так як витрати енергії в таких магнітах практично відсутні. Загальна вага кожного магніту становить 3,5 тонни при довжині 14,3 метра.

Як і будь-який фізичний об`єкт, великий адронний коллайдер виділяє тепло. Тому його необхідно постійно остуджувати. Для цього підтримується температура 1,7 К з допомогою 12000000 літрів рідкого азоту. Крім цього, для охолодження використовується рідкий гелій (700000 літрів), і найважливіше - використовується тиск, який в десять разів нижче нормального атмосферного.

Температура 1,7 До за шкалою Цельсія становить -271 градус. Така температура майже близька до абсолютного нуля. Абсолютним нулем називається мінімально можливий межа, який може мати фізичне тіло.

Внутрішня частина тунелю не менше цікава. Там знаходяться ніобій-титанові кабелі з надпровідними можливостями. Їх довжина становить 7 600 кілометрів. Загальна вага кабелів дорівнює 1200 тонн. Внутрішність кабелю - це сплетіння +6300 дротів з загальною відстанню в 1,5 мільярда кілометрів. Така довжина дорівнює 10 астрономічним одиницям. Наприклад, відстань від землі до сонця дорівнює 10 таким одиницям.

Якщо говорити про його географічному розташуванні, то можна сказати, що кільця колайдера лежать між міст Сен-Жені та Форн-Вольтер, розташованими на французькій стороні, а також Мейрін і Вессурат - зі Швейцарською сторони. Маленьке кільце, іменоване PS, проходить уздовж кордону по діаметру.

Сенс існування

Для того щоб відповісти на питання «для чого потрібен адронний коллайдер», потрібно звернутися до вчених. Багато вчених говорять, що це саме великий винахід за весь період існування науки, і те, що без нього у науки, яка відома нам сьогодні, просто немає сенсу. Існування і запуск великого адронного коллайдера цікаві тим, що при зіткненні частинок в адронному колайдері відбувається вибух. Всі найдрібніші частинки розлітаються в різні сторони. Утворюються нові частинки, які можуть пояснити існування і сенс багато чого.

Перше, що вчені намагалися знайти в цих розбилися частинках - це теоретично передбачену фізиком Пітером Хіггсом елементарну частинку, названу "Бозон Хіггса". Це приголомшлива частка є носієм інформації, як вважається. Ще її прийнято називати «часткою Бога». Відкриття її наблизило б вчених до розуміння всесвіту. Потрібно відзначити, що в 2012 році, 4 липня, адронний коллайдер (запуск його частково вдався) допоміг виявити схожу частинку. На сьогоднішній день вчені намагаються вивчити її докладніше.

Чи довго ...

Звичайно, відразу виникає питання, а чому вчені так довго вивчають ці частинки. Якщо є прилад, то можна запускати його, і кожного разу знімати все нові і нові дані. Справа в тому, що робота адронного коллайдера - це дороге задоволення. Один запуск обходиться у велику суму. Наприклад, річна витрата енергії дорівнює 800 млн. КВт / год. Такий обсяг енергії витрачає місто, в якому проживає близько 100 тис. Осіб, за середніми мірками. І це не рахуючи витрат на обслуговування. Ще одна причина - це те, що у адронного коллайдера вибух, який відбувається при сталкивании протонів, пов`язаний з отриманням великого обсягу даних: комп`ютери зчитують стільки інформації, що на обробку йде велика кількість часу. Навіть незважаючи на те що потужність комп`ютерів, які отримують інформацію, велика навіть за сьогоднішніми мірками.

Наступна причина - це не менш відома темна матерія. Учені, що працюють з коллайдером в цьому напрямку, впевнені, що видимий спектр усього всесвіту складає всього 4%. Передбачається, що залишилися - це темна матерія і темна енергія. Експериментально намагаються довести те, що ця теорія вірна.

Адронний колайдер: за чи проти

Висунута теорія про темної матерії поставила під сумнів безпеку існування адронного коллайдера. Виникло питання: "Адронний колайдер: за чи проти?" Він хвилювало багатьох вчених. Всі великі уми світу розділилися на дві категорії. «Противники» висунули цікаву теорію про те, що якщо така матерія існує, то у неї повинна бути протилежна їй частка. І при зіткненні частинок в прискорювачі виникає темна частина. Існував ризик того, що темна частина і частина, яку ми бачимо, зіткнуться. Тоді це могло б призвести до загибелі всієї всесвіту. Однак після першого запуску адронного коллайдера ця теорія була частково розбита.

Далі за значимістю йде вибух всесвіту, вірніше сказати - народження. Вважається, що при зіткненні можна поспостерігати те, як всесвіт поводилася в перші секунди існування. Те, як вона виглядала після походження Великого вибуху. Вважається, що процес зіткнення частинок дуже схожий з тим, який був на самому початку зародження всесвіту.

Ще не менше фантастична ідея, яку перевіряють вчені - це екзотичні моделі. Це здається неймовірним, але є теорія, яка припускає, що існують інші виміри і всесвіти зі схожими на нас людьми. І як не дивно, прискорювач і тут зможе допомогти.

Простіше кажучи, мета існування прискорювача в тому, щоб зрозуміти, що таке всесвіт, як вона була створена, довести або спростувати всі існуючі теорії про частинках і пов`язаних з ними явищах. Звичайно, на це потрібні роки, але з кожним запуском з`являються нові відкриття, які перевертають світ науки.

Факти про прискорювачі

Всім відомо, що прискорювач розганяє частки до 99% швидкості світла, але не багато хто знає, що відсоток дорівнює 99,9999991% від швидкості світла. Це приголомшлива цифра має сенс завдяки ідеальній конструкції і потужним магнітів прискорення. Також потрібно відзначити деякі менш відомі факти.

Приблизно 100 млн. Потоків з даними, які приходять від кожного з двох основних детекторів, можуть в лічені секунди заповнити більше 100000 компакт-дисків. Всього за один місяць кількість дисків б досягло такої висоти, що якщо їх скласти в стопу, то вистачило б до Місяця. Тому було прийнято рішення збирати не всі дані, які приходять з детекторів, а лише ті, які дозволить використовувати система збору даних, яка за фактом виступає як фільтр для отриманих даних. Було вирішено записувати лише 100 подій, які виникли в момент вибуху. Записуватися ці події будуть в архів обчислювального центру системи Великого адронного коллайдера, який розташований в Європейській лабораторії з фізики елементарних частинок, яка за сумісництвом є місцем розташування прискорювача. Записуватися будуть не ті події, які були зафіксовані, а ті, які представляють для наукової спільноти найбільший інтерес.

Подальша обробка

Після запису сотні кілобайт даних будуть обробляти. Для цього використовується більше двох тисяч комп`ютерів, розташованих, в ЦЕРН. Завдання цих комп`ютерів полягає в обробці первинних даних та формуванні з них бази, яка буде зручна для подальшого аналізу. Далі сформований потік даних буде спрямований на обчислювальну мережу GRID. Ця інтернет-мережа об`єднує тисячі комп`ютерів, які розташовуються в різних інститутах по всьому світу, пов`язує більше сотні великих центрів, які розташовані на трьох континентах. Всі такі центри з`єднані з ЦЕРН з використанням оптоволокна - для максимальної швидкості передачі даних.

Говорячи про факти, потрібно згадати також про фізичних показниках будови. Тунель прискорювача знаходиться у відхиленні на 1,4% від горизонтальної площини. Зроблено це в першу чергу для того, щоб помістити велику частину тунелю прискорювача в монолітну скелю. Таким чином, глибина розміщення на протилежних сторонах різна. Якщо вважати з боку озера, яке знаходиться недалеко від Женеви, то глибина дорівнюватиме 50 метрам. Протилежна частина має глибину 175 метрів.

Цікаво те, що місячні фази впливають на прискорювач. Здавалося б, як такий віддалений об`єкт може впливати на такій відстані. Однак помічено, що під час повного місяця, коли відбувається приплив, земля в районі Женеви, піднімається на цілих 25 сантиметрів. Це впливає на довжину коллайдера. Протяжність тим самим збільшується на 1 міліметр, а також змінюється енергія пучка на 0,02%. Оскільки контроль енергії пучка повинен проходити аж до 0,002%, дослідники зобов`язані враховувати це явище.

Також цікаво те, що тунель колайдера має форму восьмикутника, а не кола, як багато хто уявляє. Кути утворюються через коротких секцій. У них розташовуються встановлені детектори, а також система, яка управляє пучком прискорюваних частинок.

Будова

Адронний колайдер, запуск якого пов`язаний з використанням багатьох деталей і хвилюванням вчених, - дивовижне пристрій. Весь прискорювач складається з двох кілець. Мале кільце називається Протонний синхротрон або, якщо використовувати абревіатури - PS. Велике кільце - Протонний суперсинхротрон, або SPS. Спільно два кільця дозволяють розігнати частини до 99,9% швидкості світла. При цьому коллайдер підвищує і енергію протонів, збільшуючи їх сумарну енергію в 16 разів. Також він дозволяє зіштовхувати частки між собою приблизно 30 млн. Разів / с. протягом 10:00. Від 4 основних детекторів виходить по більшій мірі 100 терабайт цифрових даних в секунду. Отримання даних обумовлено окремими факторами. Наприклад, вони можуть виявити елементарні частинки, які мають негативний електричний заряд, а також володіють половинним спіном. Оскільки ці частки є нестійкими, то пряме їх виявлення неможливо, можливо виявити тільки їх енергію, яка буде вилітати під певним кутом до осі пучка. Ця стадія називається першим рівнем запуску. За цією стадією стежать більш ніж 100 спеціальних плат обробки даних, в які вбудовані логічні схеми реалізації. Ця частина роботи характерна тим, що в період отримання даних відбувається відбір більш ніж 100000 блоків з даними в одну секунду. Потім ці дані будуть використовуватися для аналізу, який відбувається з використанням механізму більш високого рівня.

Системи наступного рівня, навпаки, приймають інформацію від усіх потоків детектора. Програмне забезпечення детектора працює в мережі. Там воно буде використовувати велику кількість комп`ютерів для обробки наступних блоків даних, середній час між блоками - 10 мікросекунд. Програми повинні будуть створювати позначки частинок, відповідаючи початковим точкам. В результаті вийде сформований набір даних, що складаються з імпульсу, енергії, траєкторії та інших, які виникли при одній події.

Частини прискорювача

Весь прискорювач можна поділити на 5 основних частин:

1) Прискорювач електронно-позитронного коллайдера. Деталь, являє собою близько 7000 магнітів з надпровідними властивостями. За допомогою них відбувається напрямок пучка по кільцевому тунелю. А також вони зосереджують пучок в один потік, ширина якого зменшиться до ширини одного волоса.

2) Компактний мюонний соленоїд. Це детектор, призначений для загального призначення. У такому детекторі ведуться пошуки нових явищ і, наприклад, пошук частинок Хіггса.

3) Детектор LHCb. Значення цього пристрою полягає в пошуку кварків і протилежних їм часток - антикварків.

4) тороїдальними установка ATLAS. Цей детектор призначений для фіксації мюонів.

5) Alice. Цей детектор захоплює зіткнення іонів свинцю і протон-протонні зіткнення.

Проблеми при запуску адронного коллайдера

Незважаючи на те що наявність високих технологій виключає можливість помилок, на практиці все інакше. Під час складання прискорювача відбувалися затримки, а також збої. Потрібно сказати, що несподіваною така ситуація не була. Пристрій містить стільки нюансів і вимагає такої точності, що вчені очікували подібних результатів. Наприклад, одна з проблем, яка постала перед вченими під час запуску - відмова магніту, який фокусував пучки протонів безпосередньо перед їх зіткненням. Ця серйозна аварія була викликана руйнуванням частини кріплення внаслідок втрати надпровідності магнітом.

Ця проблема виникла 2007 році. Через неї запуск коллайдера відкладали кілька разів, і тільки в червні запуск відбувся, через майже рік коллайдер все ж запустився.

Останній запуск коллайдера пройшов успішно, було зібрано безліч терабайт даних.

Адронний колайдер, запуск якого відбувся 5 квітня 2015 року, успішно функціонує. Протягом місяця пучки будуть ганяти по кільцю, поступово збільшуючи потужність. Цілі для дослідження як такої немає. Буде підвищена енергія зіткнення пучків. Значення піднімуть з 7 ТеВ до 13 ТеВ. Таке збільшення дозволить побачити нові можливості при зіткненні частинок.

У 2013 і 2014 рр. проходили серйозні технічні огляди тунелів, прискорювачів, детекторів та іншого обладнання. В результаті було 18 біполярних магнітів зі зверхпровідною функцією. Потрібно відзначити, що загальна кількість їх становить 1232 штуки. Однак залишилися магніти не залишилися без уваги. В інших замінили системи захисту від охолодження, поставили поліпшені. Також покращена охолоджуюча система магнітів. Це дозволяє їм залишатися при низьких температурах з максимальною потужністю.

Якщо все пройде успішно, то наступний запуск прискорювача пройде лише через три роки. Через цей період намічені планові роботи по поліпшенню, технічному огляду коллайдера.

Потрібно відзначити, що ремонт обходиться в копійку, не враховуючи вартість. Адронний колайдер, станом на 2010 рік має ціну, рівну 7500000000. Євро. Ця цифра виводить весь проект на перше місце в списку найдорожчих проектів в історії науки.

Останні новини

Адронний колайдер, запуск якого відбувся після перерви, був успішний. Були зібрані цікаві дані. Наприклад, були представлені докази того, що сучасне уявлення про частинках правильне. Це стало можливо завдяки правильній роботі детекторів CMS і LHCb. Ці детектори вловили розпад BS на два мезона, що є прямим доказом вірності сучасних теорій.

Варто задати питання, яким чином відбувається доказ такої теорії. Один із способів - це уловлювання нових частинок. Тобто якщо при зіткненні з`являться нові елементарні частинки, це означає, що сучасну теорію необхідно переглянути.

Увага вчених зосереджено на цій частинці тільки тому, що вона може довести, ну або хоча б розкрити двері в напрямок суперсиметрії. Це хороший старт для подальшого вивчення і роботи в центрі наукових досліджень в Женеві.

Що далі?

Після того як відбудеться наступна модернізація коллайдера, будуть поставлені завдання щодо подальшого вивчення частинок. Зокрема, буде необхідно дізнатися більш детально про бозон Хіггса. Незважаючи на те що за це відкриття було вручено Нобелівську премію, не всі його властивості до кінця вивчені і доведені. Тому вченим належить довга і непроста робота з вивчення цієї дивовижної частинки.

Крім цього, необхідно продовжувати роботу з доведення або спростуванню теорії суперсиметрії. Хоч вона і здається дещо фантастичною, однак має право на існування. Не варто думати, що вся увага приділяється тільки проблемі першої важливості, для кожного проекту є своя команда вчених, які трудяться в цій галузі.

Звичайно, це не всі завдання, які необхідно вирішити ученим. З кожним новим терабайтом отриманої інформації список питань безперервно доповнюється, і відповіді на них можуть шукатися роками.