Адронны коллайдер: запуск. Вялікі адронны коллайдер навошта патрэбен і дзе знаходзіцца?

Гісторыя стварэння паскаральніка, які мы ведаем сёння як вялікі адронны коллайдер, пачынаецца яшчэ з 2007 года. Першапачаткова храналогія паскаральнікаў пачалася з цыклатрон. Прыбор ўяўляў сабой невялікае прылада, якое лёгка змяшчалася на стале. Затым гісторыя паскаральнікаў стала імкліва развівацца. З'явіўся сінхрафазатрон і сынхроны.

У гісторыі, бадай, самым цікавым стаў перыяд з 1956 па 1957 гады. У тыя часы савецкая навука, у прыватнасці фізіка, не адставала ад замежных братоў. Выкарыстоўваючы напрацаваны гадамі вопыт, савецкі фізік па імі Уладзімір Векслер здзейсніў прарыў у навуцы. Ім быў створаны самы магутны па тых часах сінхрафазатрон. Яго працоўная магутнасць была роўная 10 гігаэлектронвольт (10 мільярдаў электронвольт). Пасля гэтага адкрыцця ствараліся ўжо сур'ёзныя ўзоры паскаральнікаў: вялікі электронна-пазітронна коллайдер, Швейцарскі паскаральнік, у Германіі, ЗША. Усе яны мелі адну агульную мэту - вывучэнне фундаментальных часціц кваркаў.

Вялікі адронны коллайдер быў створаны ў першую чаргу дзякуючы намаганням італьянскага фізіка. Імя яму Карла Руббиа, лаўрэат Нобелеўскай прэміі. Падчас сваёй дзейнасці Руббиа працаваў дырэктарам у Еўрапейскай арганізацыі па ядзерных даследаваннях. Вырашана было пабудаваць і запусціць адронны коллайдер менавіта на месцы цэнтра даследаванняў.

Дзе адронны коллайдер?

Коллайдер размешчаны на мяжы паміж Швейцарыяй і Францыяй. Даўжыня яго акружнасці складае 27 кіламетраў, таму яго і называюць вялікім. Кольца паскаральніка сыходзіць углыб ад 50 да 175 метраў. У коллайдере ўстаноўлена 1232 магніта. Яны з'яўляюцца звышправодным, а значыць з іх можна выпрацаваць максімальную поле для разгону, так як выдаткі энергіі ў такіх магнітах практычна адсутнічаюць. Агульная вага кожнага магніта складае 3,5 тоны пры даўжыні 14,3 метра.

Як і любы фізічны аб'ект, вялікі адронны коллайдер вылучае цяпло. Таму яго неабходна пастаянна астужать. Для гэтага падтрымліваецца тэмпература 1,7 Да з дапамогай 12 мільёнаў літраў вадкага азоту. Акрамя гэтага, для астуджэння выкарыстоўваецца вадкі гелій (700 тысяч літраў), і самае важнае - выкарыстоўваецца ціск, якое ў дзесяць разоў ніжэй нармальнага атмасфернага.

Тэмпература 1,7 Да па шкале Цэльсія складае -271 градус. Такая тэмпература амаль блізкая да абсалютнага нуля. Абсалютным нулём называецца мінімальна магчымы мяжа, які можа мець фізічнае цела.

Унутраная частка тунэлю не менш цікавая. Там знаходзяцца ніёбія-тытанавыя кабелі са звышправодным магчымасцямі. Іх даўжыня складае 7600 кіламетраў. Агульная вага кабеляў роўны 1200 тон. Нутро кабеля - гэта спляценне 6300 дратоў з агульным адлегласцю ў 1,5 мільярда кіламетраў. Такая даўжыня роўная 10 астранамічным адзінкам. Напрыклад, адлегласць ад зямлі да сонца адпавядае 10 такім адзінкам.

Калі казаць пра яго геаграфічным месцазнаходжанні, то можна сказаць, што кольцы коллайдера ляжаць між гарадоў Сен-Жэні і форно-Вальтэр, размешчанымі на французскай боку, а таксама Мейрин і Вессурат - са Швейцарскай боку. Маленькае кольца, названае PS, праходзіць уздоўж мяжы па дыяметры.

сэнс існавання

Для таго каб адказаць на пытанне «для чаго патрэбен адронны коллайдер», трэба звярнуцца да навукоўцам. Многія навукоўцы кажуць, што гэта самае вялікае вынаходства за ўвесь перыяд існавання навукі, і тое, што без яго ў навукі, якая вядомая нам сёння, проста няма сэнсу. Існаванне і запуск вялікага адроннага коллайдера цікавыя тым, што пры сутыкненні часціц у адронным коллайдере адбываецца выбух. Ўсе драбнюткія часціцы разлятаюцца ў розныя бакі. Ўтвараюцца новыя часціцы, якія могуць растлумачыць існаванне і сэнс шмат чаго.

Першае, што навукоўцы імкнуліся знайсці ў гэтых пабіліся часціцах - гэта тэарэтычна прадказалі фізікам Піцерам Хігса элементарную часціцу, названую "Базон Хігса". Гэта цудоўная часціца з'яўляецца носьбітам інфармацыі, як лічыцца. Яшчэ яе прынята называць «часціцай Бога». Адкрыццё яе наблізіла б навукоўцаў да разумення сусвету. Трэба адзначыць, што ў 2012 годзе, 4 ліпеня, адронны коллайдер (запуск яго часткова атрымаўся) дапамог выявіць падобную часціцу. На сённяшні дзень навукоўцы спрабуюць вывучыць яе больш падрабязна.

Ці доўга ...

Вядома, адразу ўзнікае пытанне, а чаму навукоўцы так доўга вывучаюць гэтыя часціцы. Калі ёсць прыбор, то можна запускаць яго, і кожны раз здымаць усё новыя і новыя дадзеныя. Справа ў тым, што праца адроннага коллайдера - гэта дарагое задавальненне. Адзін запуск абыходзіцца ў вялікую суму. Напрыклад, гадавы расход энергіі складае 800 млн. КВт / г. Такі аб'ём энергіі расходуе горад, у якім пражывае каля 100 тыс. Чалавек, па сярэдніх мерках. І гэта не лічачы выдаткаў на абслугоўванне. Яшчэ адна прычына - гэта тое, што ў адроннага коллайдера выбух, які адбываецца пры сутыкненні пратонаў, звязаны з атрыманнем вялікага аб'ёму дадзеных: кампутары счытваюць столькі інфармацыі, што на апрацоўку сыходзіць вялікая колькасць часу. Нават нягледзячы на тое што магутнасць кампутараў, якія атрымліваюць інфармацыю, вялікая нават па сённяшніх мерках.

Прычына гэтага - гэта не менш вядомая цёмная матэрыя. Навукоўцы, якія працуюць з коллайдером ў гэтым кірунку, ўпэўненыя, што бачны спектр ўсёй сусвету складае ўсяго 4%. Мяркуецца, што тыя, што засталіся - гэта цёмная матэрыя і цёмная энергія. Эксперыментальна спрабуюць даказаць тое, што гэтая тэорыя дакладная.

Адронны коллайдер: за ці супраць

Высунутая тэорыя аб цёмнай матэрыі паставіла пад сумнеў бяспеку існавання адроннага калайдэра. Паўстала пытанне: "Адронны калайдэр: за ці супраць?" Яно хвалявала многіх навукоўцаў. Усе вялікія розумы свету падзяліліся на дзве катэгорыі. «Праціўнікі» вылучылі цікавую тэорыю пра тое, што калі такая матэрыя існуе, то ў яе павінна быць супрацьлеглая ёй часціца. І пры сутыкненні часціц у паскаральніку ўзнікае цёмная частка. Існавала рызыка таго, што цёмная частка і частка, якую мы бачым, сутыкнуцца. Тады гэта магло б прывесці да гібелі ўсёй сусвету. Аднак пасля першага запуску адроннага коллайдера гэтая тэорыя была часткова разбіта.

Далей па значнасці ідзе выбух сусвету, дакладней сказаць - нараджэнне. Лічыцца, што пры сутыкненні можна праназіраць тое, як сусвет паводзіла сябе ў першыя секунды існавання. Тое, як яна выглядала пасля паходжання Вялікага выбуху. Лічыцца, што працэс сутыкнення часціц вельмі падобны з тым, які быў у самым пачатку зараджэння сусвету.

Яшчэ не менш фантастычная ідэя, якую правяраюць навукоўцы - гэта экзатычныя мадэлі. Гэта здаецца неверагодным, але ёсць тэорыя, якая мяркуе, што існуюць іншыя вымярэнні і сусветы з падобнымі на нас людзьмі. І як ні дзіўна, паскаральнік і тут зможа дапамагчы.

Прасцей кажучы, мэта існавання паскаральніка ў тым, каб зразумець, што такое сусвет, як яна была створана, даказаць ці абвергнуць ўсе існуючыя тэорыі аб часціцах і звязаных з імі з'явах. Вядома, на гэта спатрэбяцца гады, але з кожным запускам з'яўляюцца новыя адкрыцці, якія перагортваюць свет навукі.

Факты пра паскаральніку

Усім вядома, што паскаральнік разганяе часціцы да 99% хуткасці святла, але не многія ведаюць, што працэнт роўны 99,9999991% ад хуткасці святла. Гэта цудоўная лічба мае сэнс дзякуючы ідэальнай канструкцыі і магутным магнітам паскарэння. Таксама трэба адзначыць некаторыя менш вядомыя факты.

Колькасці, якія атрымліваюць пры сутыкненні часціц і пры паскарэнні

Лік пратонаў у згусткі	да 100 млрд. (1011)
лік згусткаў	да 2808
Лік праходжання пучкамі пратонаў у зоне дэтэктараў	да 31 млн. у секунду, у 4 зонах
Колькасць сутыкненняў часціц пры перасячэнні	да 20
Аб'ём дадзеных на адно сутыкненне	каля 1,5 МБ
Колькасцяў часціц Хигса	1 часціца кожныя 2,5 секунды (пры поўнай інтэнсіўнасці пучка і згодна з пэўным здагадках пра ўласцівасці часціц Хігса)

Прыблізна 100 млн. Патокаў з дадзенымі, якія прыходзяць ад кожнага з двух асноўных дэтэктараў, могуць у лічаныя секунды запоўніць больш за 100 тысяч кампакт-дыскаў. Усяго за адзін месяц колькасць дыскаў б дасягнула такой вышыні, што калі іх скласці ў ступню, то хапіла б да Месяца. Таму было прынята рашэнне збіраць не ўсе дадзеныя, якія прыходзяць з дэтэктараў, а толькі тыя, якія дазволіць выкарыстоўваць сістэма збору дадзеных, якая па факце выступае як фільтр для атрыманых дадзеных. Было вырашана запісваць толькі 100 падзей, якія ўзніклі ў момант выбуху. Запісвацца гэтыя падзеі будуць у архіў вылічальнага цэнтра сістэмы Вялікага адроннага коллайдера, які размешчаны ў Еўрапейскай лабараторыі па фізіцы элементарных часціц, якая па сумяшчальніцтве з'яўляецца месцам размяшчэння паскаральніка. Запісвацца будуць не тыя падзеі, якія былі зафіксаваныя, а тыя, якія ўяўляюць для навуковай супольнасці найбольшую цікавасць.

наступная апрацоўка

Пасля запісу сотні кілабайт дадзеных будуць апрацоўваць. Для гэтага выкарыстоўваецца больш за дзве тысячы кампутараў, размешчаных, у ЦЕРН. Задача гэтых кампутараў складаецца ў апрацоўцы першасных дадзеных і фарміраванні з іх базы, якая будзе зручная для далейшага аналізу. Далей сфармаваны струмень дадзеных будзе накіраваны на вылічальную сетку GRID. Гэтая інтэрнэт-сетка аб'ядноўвае тысячы кампутараў, якія размяшчаюцца ў розных інстытутах па ўсім свеце, звязвае больш за сотню буйных цэнтраў, якія размешчаны на трох кантынентах. Усе такія цэнтры злучаныя з ЦЕРН з выкарыстаннем оптавалакна - для максімальнай хуткасці перадачы дадзеных.

Кажучы пра факты, трэба згадаць таксама аб фізічных паказчыках будынкі. Тунэль паскаральніка знаходзіцца у адхіленні на 1,4% ад гарызантальнай плоскасці. Зроблена гэта ў першую чаргу для таго, каб змясціць вялікую частку тунэля паскаральніка ў маналітную скалу. Такім чынам, глыбіня размяшчэння на процілеглых баках розная. Калі лічыць з боку возера, якое знаходзіцца недалёка ад Жэневы, то глыбіня будзе роўная 50 метрам. Супрацьлеглая частка мае глыбіню 175 метраў.

Цікава тое, што месяцовыя фазы ўплываюць на паскаральнік. Здавалася б, як такі аддалены аб'ект можа ўздзейнічаць на такой адлегласці. Аднак заўважана, што падчас поўні, калі адбываецца прыліў, зямля ў раёне Жэневы, падымаецца на цэлых 25 сантыметраў. Гэта ўплывае на даўжыню калайдэра. Працягласць тым самым павялічваецца на 1 міліметр, а таксама змяняецца энергія пучка на 0,02%. Паколькі кантроль энергіі пучка павінен праходзіць аж да 0,002%, даследчыкі абавязаны ўлічваць гэта з'ява.

Таксама цікава тое, што тунель коллайдера мае форму васьмікутніка, а не круга, як многія ўяўляюць. Куты ўтвараюцца з-за кароткіх секцый. У іх размяшчаюцца устаноўленыя дэтэктары, а таксама сістэма, якая кіруе пучком паскараюцца часціц.

будынак

Адронны коллайдер, запуск якога звязаны з выкарыстаннем шматлікіх дэталяў і хваляваннем навукоўцаў, - дзіўнае прылада. Увесь паскаральнік складаецца з двух кольцаў. Малое кальцо называецца Пратон сынхроны або, калі выкарыстоўваць абрэвіятуры - PS. Вялікае кольца - пратоны суперсинхротрон, або SPS. Сумесна два кольцы дазваляюць разагнаць частцы да 99,9% хуткасці святла. Пры гэтым коллайдер павышае і энергію пратонаў, павялічваючы іх сумарную энергію ў 16 разоў. Таксама ён дазваляе сутыкаць часціцы паміж сабой прыкладна 30 млн. Разоў / с. на працягу 10 гадзін. Ад 4 асноўных дэтэктараў атрымліваецца па большай меры 100 тэрабайт лічбавых дадзеных у секунду. Атрыманне даных абумоўлена асобнымі фактарамі. Напрыклад, яны могуць выявіць элементарныя часціцы, якія маюць адмоўны электрычны зарад, а таксама валодаюць Палову спінам. Паколькі гэтыя часціцы з'яўляюцца няўстойлівымі, то прамое іх выяўленне немагчыма, магчыма выявіць толькі іх энергію, якая будзе вылятаць пад вызначаным вуглом да восі пучка. Гэтая стадыя называецца першым узроўнем запуску. За гэтай стадыяй сочаць больш чым 100 спецыяльных поплаткаў апрацоўкі дадзеных, у якія ўбудаваныя лагічныя схемы рэалізацыі. Гэтая частка працы характэрная тым, што ў перыяд атрымання дадзеных адбываецца адбор больш чым 100 тысяч блокаў з дадзенымі ў адну секунду. Затым гэтыя дадзеныя будуць выкарыстоўвацца для аналізу, які адбываецца з выкарыстаннем механізму больш высокага ўзроўню.

Сістэмы наступнага ўзроўню, наадварот, прымаюць інфармацыю ад усіх патокаў дэтэктара. Праграмнае забеспячэнне дэтэктара працуе ў сетцы. Там яно будзе выкарыстоўваць вялікая колькасць кампутараў для апрацоўкі наступных блокаў дадзеных, сярэдні час паміж блокамі - 10 мікрасекунд. Праграмы павінны будуць ствараць адзнакі часціц, адпавядаючы першапачатковым кропках. У выніку атрымаецца сфармаваны набор дадзеных, якія складаюцца з імпульсу, энергіі, траекторыі і іншых, якія ўзніклі пры адну падзею.

часткі паскаральніка

Увесь паскаральнік можна падзяліць на 5 асноўных частак:

1) Паскаральнік электронна-пазітронна коллайдера. Дэталь, уяўляе сабой каля 7 тысяч магнітаў са звышправодным ўласцівасцямі. З дапамогай іх адбываецца кірунак пучка па колцавым тунэлі. А таксама яны засяроджваюць пучок ў адну плынь, шырыня якога паменшыцца да шырыні аднаго воласа.

2) Кампактны Мюоны саленоід. Гэта дэтэктар, прызначаны для агульнага прызначэння. У такім дэтэктары вядуцца пошукі новых з'яў і, напрыклад, пошук часціц Хігса.

3) Дэтэктар LHCb. Значэнне гэтага прылады заключаецца ў пошуку кваркаў і супрацьлеглых ім часціц - антикварков.

4) тараідальны ўстаноўка ATLAS. Гэты дэтэктар прызначаны для фіксацыі мюонов.

5) Alice. Гэты дэтэктар захоплівае сутыкнення іёнаў свінцу і пратон-пратонны сутыкнення.

Праблемы пры запуску адроннага коллайдера

Нягледзячы на тое што наяўнасць высокіх тэхналогій выключае магчымасць памылак, на практыцы ўсё інакш. Падчас зборкі паскаральніка адбываліся затрымкі, а таксама збоі. Трэба сказаць, што нечаканай такая сітуацыя не была. Прылада ўтрымлівае столькі нюансаў і патрабуе такой дакладнасці, што навукоўцы чакалі падобных вынікаў. Напрыклад, адна з праблем, якая ўстала перад навукоўцамі падчас запуску - адмова магніта, які факусавацца пучкі пратонаў непасрэдна перад іх сутыкненнем. Гэтая сур'ёзная аварыя была выкліканая разбурэннем часткі мацавання з прычыны страты звышправоднасці магнітам.

Гэтая праблема паўстала 2007 годзе. З-за яе запуск коллайдера адкладалі некалькі разоў, і толькі ў чэрвені запуск адбыўся, праз амаль год коллайдер ўсё ж запусціўся.

Апошні запуск коллайдера прайшоў удала, было сабрана мноства тэрабайт дадзеных.

Адронны коллайдер, запуск якога адбыцца 5 красавіка 2015 года, паспяхова функцыянуе. На працягу месяца пучкі будуць ганяць па кольцы, паступова павялічваючы магутнасць. Мэты для даследавання як такой няма. Будзе павышана энергія сутыкненні пучкоў. Значэнне падымуць з 7 ТЭВ да 13 ТЭВ. Такое павелічэнне дазволіць убачыць новыя магчымасці пры сутыкненні часціц.

У 2013 і 2014 гг. праходзілі сур'ёзныя тэхнічныя агляды тунэляў, паскаральнікаў, дэтэктараў і іншага абсталявання. У выніку было 18 біпалярных магнітаў са звышправодны функцыяй. Трэба адзначыць, што агульная колькасць іх складае 1232 штукі. Аднак тыя, што засталіся магніты не засталіся па-за ўвагай. У астатніх замянілі сістэмы абароны ад астывання, паставілі палепшаныя. Таксама палепшана астуджальная сістэма магнітаў. Гэта дазваляе ім заставацца пры нізкіх тэмпературах з максімальнай магутнасцю.

Калі ўсё пройдзе паспяхова, то наступны запуск паскаральніка пройдзе толькі праз тры гады. Праз гэты перыяд намечаны планавыя работы па паляпшэнню, тэхнічнаму агляду калайдэра.

Трэба адзначыць, што рамонт абыходзіцца ў капейку, не ўлічваючы кошт. Адронны коллайдер, па стане на 2010 год мае цану, роўную 7,5 млрд. Еўра. Гэтая лічба выводзіць ўвесь праект на першае месца ў спісе самых дарагіх праектаў у гісторыі навукі.

Апошнія навіны

Адронны коллайдер, запуск якога адбыўся пасля перапынку, спрыяў посьпех. Былі сабраныя цікавыя дадзеныя. Напрыклад, былі прадстаўлены доказы таго, што сучаснае ўяўленне аб часціцах правільнае. Гэта стала магчыма дзякуючы правільнай працы дэтэктараў CMS і LHCb. Гэтыя дэтэктары ўлавілі распад BS на два мезоны, што з'яўляецца прамым доказам вернасці сучасных тэорый.

Варта задаць пытанне, якім чынам адбываецца доказ такой тэорыі. Адзін са спосабаў - гэта ўлоўліванне новых часціц. То бок, калі пры сутыкненні з'явяцца новыя элементарныя часціцы, гэта значыць, што сучасную тэорыю неабходна перагледзець.

Увага навукоўцаў засяроджана на гэтай часціцы толькі таму, што яна можа даказаць, ну ці хаця б раскрыць дзверы ў кірунак Суперсіметрыя. Гэта добры старт для далейшага вывучэння і працы ў цэнтры навуковых даследаванняў у Жэневе.

Што далей?

Пасля таго як адбудзецца наступная мадэрнізацыя коллайдера, будуць пастаўлены задачы па далейшаму вывучэнню часціц. У прыватнасці, будзе неабходна даведацца больш падрабязна пра базон Хігса. Нягледзячы на тое што за гэтае адкрыццё была ўручана Нобелеўская прэмія, не ўсе яго ўласцівасці да канца вывучаны і даказаны. Таму навукоўцам чакае доўгая і няпростая праца па вывучэнні гэтай дзіўнай часціцы.

Акрамя гэтага, неабходна працягваць працу па доказу ці абвяргальная тэорыі Суперсіметрыя. Хоць яна і здаецца некалькі фантастычнай, аднак мае права на існаванне. Не варта думаць, што ўся ўвага надаецца толькі праблеме першай важнасці, для кожнага праекта ёсць свая каманда навукоўцаў, якія працуюць у гэтай галіне.

Вядома, гэта не ўсё задачы, якія неабходна вырашыць навукоўцам. З кожным новым тэрабайта атрыманай інфармацыі спіс пытанняў бесперапынна дапаўняецца, і адказы на іх могуць шукацца гадамі.