Размери на Големия адронен колайдер. Адронен колайдер: стартиране

Историята на създаването на ускорителя, който днес познаваме като Големия адронен колайдер, датира от 2007 г. Първоначално хронологията на ускорителите започва с циклотрона. Устройството беше малко устройство, което лесно се побираше на масата. Тогава историята на ускорителите започна да се развива бързо. Появиха се синхрофазотронът и синхротронът.

В историята може би най-интересният период е периодът от 1956 до 1957 г. В онези дни съветската наука, по-специално физиката, не изоставаше от своите чуждестранни братя. Използвайки дългогодишен опит, съветският физик на име Владимир Векслер прави пробив в науката. Той създава най-мощния синхрофазотрон по това време. Работната му мощност беше 10 гигаелектронволта (10 милиарда електронволта). След това откритие бяха създадени сериозни образци на ускорители: големият електрон-позитронен колайдер, швейцарският ускорител, в Германия, САЩ. Всички имаха една обща цел – да учат фундаментални частицикварки.

Големият адронен колайдер е създаден предимно благодарение на усилията на италиански физик. Името му е Карло Рубия, лауреат на Нобелова награда. По време на кариерата си Рубиа работи като директор в Европейската организация за ядрени изследвания. Беше решено да се изгради и пусне адронен колайдер на мястото на изследователския център.

Къде е адронният колайдер?

Колайдерът се намира на границата между Швейцария и Франция. Обиколката му е 27 километра, затова се нарича голям. Ускорителният пръстен достига дълбочина от 50 до 175 метра. Колайдерът има 1232 магнита. Те са свръхпроводящи, което означава, че от тях може да се генерира максимално поле за ускорение, тъй като в такива магнити практически няма консумация на енергия. Общото тегло на всеки магнит е 3,5 тона с дължина 14,3 метра.

Като всеки физически обект, Големият адронен колайдер генерира топлина. Следователно трябва постоянно да се охлажда. За да се постигне това, температурата се поддържа на 1,7 K, като се използват 12 милиона литра течен азот. Освен това се използват 700 хиляди литра за охлаждане и най-важното е, че се използва налягане, което е десет пъти по-ниско от нормалното атмосферно налягане.

Температура от 1,7 K по скалата на Целзий е -271 градуса. Тази температура е почти близка до това, което се нарича минималната възможна граница, която едно физическо тяло може да има.

Вътрешността на тунела е не по-малко интересна. Има кабели от ниобий-титан със свръхпроводими способности. Тяхната дължина е 7600 километра. Общото тегло на кабелите е 1200 тона. Вътрешността на кабела е тъкан от 6300 жици с общо разстояние от 1,5 милиарда километра. Тази дължина е равна на 10 астрономически единици. Например, се равнява на 10 такива единици.

Ако говорим за географското му местоположение, можем да кажем, че пръстените на колайдера се намират между градовете Сен Жени и Форни-Волтер, разположени на Френска страна, както и Meyrin и Wessurat - от швейцарска страна. Малък пръстен, наречен PS, минава по диаметъра на границата.

Смисълът на съществуването

За да отговорите на въпроса „за какво е адронният колайдер“, трябва да се обърнете към учените. Много учени казват, че това е най-великото изобретение в цялата история на науката и че без него науката, каквато я познаваме днес, просто няма смисъл. Съществуването и стартирането на Големия адронен колайдер е интересно, защото когато частиците се сблъскат в адронния колайдер, възниква експлозия. Всички най-малки частици се разпръскват в различни посоки. Образуват се нови частици, които могат да обяснят съществуването и значението на много неща.

Първото нещо, което учените се опитаха да намерят в тези разбити частици, беше теоретично предсказаната елементарна частица от физика Питър Хигс, наречена Смята се, че тази удивителна частица е носител на информация. Също така често се нарича „частица на Бог“. Неговото откритие ще доближи учените до разбирането на Вселената. Трябва да се отбележи, че през 2012 г., на 4 юли, адронният колайдер (стартирането му беше частично успешно) помогна за откриването на подобна частица. Днес учените се опитват да го проучат по-подробно.

Колко дълго...

Разбира се, веднага възниква въпросът: защо учените са изучавали тези частици толкова дълго? Ако имате устройство, можете да го стартирате и всеки път да взимате повече и повече данни. Факт е, че експлоатацията на адронен колайдер е скъпо предложение. Едно изстрелване струва много пари. Например годишното потребление на енергия е 800 милиона kWh. Това количество енергия се консумира от град с население от около 100 хиляди души по средни стандарти. И това не включва разходите за поддръжка. Друга причина е, че в адронния колайдер експлозията, която възниква при сблъсък на протони, е свързана с получаване на голямо количество данни: компютрите четат толкова много информация, че отнема много време за обработка. Въпреки че силата на компютрите, които получават информация, е голяма дори за днешните стандарти.

Следващата причина е не по-малко известна.В това са сигурни учените, работещи с колайдера в тази посока видим спектърцялата вселена е само 4%. Предполага се, че останалите са тъмна материя и тъмна енергия. Те се опитват да докажат експериментално, че тази теория е правилна.

Адронен колайдер: за или против

Изложената теория за тъмната материя постави под съмнение безопасността на адронния колайдер. Възникна въпросът: „Адронният колайдер: за или против?“ Той тревожи много учени. Всички велики умове на света са разделени на две категории. „Противниците“ излагат интересна теория, че ако такава материя съществува, то тя трябва да има противоположна на нея частица. И когато частиците се сблъскат в ускорителя, се появява тъмна част. Имаше риск тъмната част и тази, която виждаме, да се сблъскат. Тогава това може да доведе до смъртта на цялата вселена. След първото изстрелване на адронния колайдер обаче тази теория беше частично разбита.

На следващо място по важност идва експлозията на Вселената или по-скоро раждането. Смята се, че по време на сблъсък е възможно да се наблюдава как се е държала Вселената в първите секунди от своето съществуване. Начинът, по който изглеждаше след Големия взрив. Смята се, че процесът на сблъсъци на частици е много подобен на този, който се е случил в самото начало на Вселената.

Друга също толкова фантастична идея, която учените тестват, са екзотичните модели. Изглежда невероятно, но има теория, която предполага, че има други измерения и вселени с хора, подобни на нас. И колкото и да е странно, ускорителят може да помогне и тук.

Просто казано, целта на ускорителя е да разбере какво представлява Вселената, как е създадена, да докаже или опровергае всичко съществуващи теорииза частиците и свързаните с тях явления. Разбира се, това ще отнеме години, но с всяко стартиране се появяват нови открития, които революционизират света на науката.

Факти за ускорителя

Всеки знае, че ускорителят ускорява частиците до 99% от скоростта на светлината, но малко хора знаят, че процентът е 99,9999991% от скоростта на светлината. Тази невероятна фигура има смисъл благодарение на перфектния дизайн и мощните ускоряващи магнити. Има и някои по-малко известни факти, които трябва да се отбележат.

Приблизително 100 милиона потока от данни, идващи от всеки от двата основни детектора, могат да запълнят повече от 100 000 CD-ROM за секунди. Само за един месец броят на дисковете ще достигне такава височина, че ако бъдат подредени, ще са достатъчни, за да стигнат до Луната. Затова беше решено да се събират не всички данни, които идват от детекторите, а само тези, които ще бъдат разрешени за използване от системата за събиране на данни, която всъщност играе ролята на филтър за получените данни. Решено е да се запишат само 100 събития, настъпили в момента на експлозията. Тези събития ще бъдат записани в архива на компютърния център на Големия адронен колайдер, който се намира в Европейската лаборатория по физика на елементарните частици, където се намира и ускорителят. Това, което ще бъдат записани, няма да бъдат записаните събития, а тези, които представляват най-голям интерес за научната общност.

Последваща обработка

Веднъж записани, стотици килобайти данни ще бъдат обработени. За целта се използват повече от две хиляди компютъра, разположени в ЦЕРН. Задачата на тези компютри е да обработват първични данни и да формират от тях база данни, която ще бъде удобна за по-нататъшен анализ. След това генерираният поток от данни ще бъде изпратен към компютърната мрежа GRID. Тази интернет мрежа обединява хиляди компютри, разположени в различни институти по света и свързва повече от сто големи центъра, разположени на три континента. Всички подобни центрове са свързани с CERN чрез оптично влакно - за максимална скоростпредаване на данни.

Говорейки за факти, трябва да споменем и физическите показатели на конструкцията. Тунелът на ускорителя е отклонен с 1,4% от хоризонталната равнина. Това беше направено предимно с цел по-голямата част от тунела на ускорителя да се постави в монолитна скала. По този начин дълбочината на поставяне е при противоположни страниразличен. Ако броим от страната на езерото, което се намира близо до Женева, тогава дълбочината ще бъде 50 метра. Отсрещната част е с дълбочина 175 метра.

Интересното е, че лунните фази влияят на ускорителя. Изглежда как толкова отдалечен обект може да повлияе на такова разстояние. Забелязано е обаче, че по време на пълнолуние, когато настъпва прилив, земята в района на Женева се издига с цели 25 сантиметра. Това се отразява на дължината на колайдера. По този начин дължината се увеличава с 1 милиметър, а енергията на лъча също се променя с 0,02%. Тъй като енергията на лъча трябва да се контролира до 0,002%, изследователите трябва да вземат предвид това явление.

Интересно е също, че тунелът на колайдера има формата на осмоъгълник, а не на кръг, както мнозина си представят. Ъглите са създадени от къси секции. Те съдържат инсталирани детектори, както и система, която контролира лъча на ускоряващите се частици.

Структура

Адронният колайдер, чието стартиране включва много части и много вълнение сред учените, е невероятно устройство. Целият ускорител се състои от два пръстена. Малкият пръстен се нарича протонен синхротрон или, за да използваме неговите съкращения, PS. Големият пръстен е супер протонен синхротрон или SPS. Заедно двата пръстена позволяват на частите да се ускорят до 99,9% от скоростта на светлината. В същото време колайдерът увеличава и енергията на протоните, увеличавайки общата им енергия 16 пъти. Освен това позволява на частиците да се сблъскват една с друга приблизително 30 милиона пъти/сек. в рамките на 10 часа. 4-те основни детектора произвеждат най-малко 100 терабайта цифрови данни в секунда. Получаването на данни се определя от индивидуални фактори. Например, те могат да открият елементарни частици, които имат отрицателен електрически заряд и също имат половин спин. Тъй като тези частици са нестабилни, тяхното директно откриване е невъзможно, възможно е само да се открие тяхната енергия, която ще бъде излъчена под определен ъгъл спрямо оста на лъча. Този етап се нарича първо ниво на стартиране. Този етап се следи от повече от 100 специални платки за обработка на данни, които имат вградена логика за изпълнение. Тази част от работата се характеризира с факта, че по време на периода на събиране на данни се избират повече от 100 хиляди блока данни в секунда. След това тези данни ще бъдат използвани за анализ, който се извършва чрез механизъм на по-високо ниво.

Системите на следващото ниво, напротив, получават информация от всички нишки на детектора. Софтуерът на детектора работи в мрежа. Там ще използва голям брой компютри за обработка на последващи блокове от данни, като средното време между блоковете е 10 микросекунди. Програмите ще трябва да създават маркировки за частици, съответстващи на оригиналните точки. Резултатът ще бъде генериран набор от данни, състоящ се от импулс, енергия, траектория и други, възникнали по време на едно събитие.

Части за ускорител

Целият ускорител може да бъде разделен на 5 основни части:

1) Ускорител на електрон-позитронен колайдер. Частта се състои от около 7 хиляди магнита със свръхпроводящи свойства. С тяхна помощ лъчът се насочва през кръгъл тунел. Те също така концентрират лъча в един поток, чиято ширина се намалява до ширината на една коса.

2) Компактен мюонен соленоид. Това е детектор с общо предназначение. Такъв детектор се използва за търсене на нови явления и например за търсене на частици на Хигс.

3) LHCb детектор. Значението на това устройство е да търси кварки и техните противоположни частици - антикварки.

4) Тороидална инсталация ATLAS. Този детектор е предназначен за откриване на мюони.

5) Алис. Този детектор улавя сблъсъци на оловни йони и протон-протонни сблъсъци.

Проблеми при пускането на адронния колайдер

Въпреки факта, че присъствието висока технологияелиминира възможността за грешки; на практика всичко е различно. По време на сглобяването на ускорителя възникнаха забавяния и повреди. Трябва да се каже, че тази ситуация не беше неочаквана. Устройството съдържа толкова много нюанси и изисква такава прецизност, че учените очакваха подобни резултати. Например, един от проблемите, пред които са изправени учените по време на изстрелването, е повредата на магнита, който фокусира протонните лъчи непосредствено преди техния сблъсък. Тази сериозна авария е причинена от разрушаване на част от закрепването поради загуба на свръхпроводимост от магнита.

Този проблем възникна през 2007 г. Поради това стартирането на колайдера беше отложено няколко пъти и едва през юни стартирането се състоя; почти година по-късно колайдерът беше пуснат.

Последното изстрелване на колайдера беше успешно, събра много терабайти данни.

Адронният колайдер, който стартира на 5 април 2015 г., работи успешно. В продължение на един месец лъчите ще се движат по ринга, като постепенно се увеличава мощността им. Няма цел за изследването като такова. Енергията на сблъсъка на лъча ще бъде увеличена. Стойността ще бъде повишена от 7 TeV на 13 TeV. Такова увеличение ще ни позволи да видим нови възможности в сблъсъците на частици.

През 2013 и 2014г извършени са сериозни технически прегледи на тунели, ускорители, детектори и друго оборудване. Резултатът беше 18 биполярни магнита със свръхпроводяща функция. Трябва да се отбележи, че общият им брой е 1232 броя. Въпреки това, останалите магнити не останаха незабелязани. В останалите системите за защита на охлаждането са подменени и са монтирани подобрени. Магнитната система за охлаждане също е подобрена. Това им позволява да останат ниски температурис максимална мощност.

Ако всичко върви добре, следващият старт на ускорителя ще се състои едва след три години. След този период се планира планирана работа за подобряване и технически преглед на колайдера.

Трябва да се отбележи, че ремонтът струва доста стотинка, без да се вземат предвид разходите. Адронният колайдер от 2010 г. има цена от 7,5 милиарда евро. Тази цифра поставя целия проект на първо място в списъка на най-скъпите проекти в историята на науката.

Съкратено LHC (Large Hadron Collider, съкратено LHC) е ускорител на заредени частици, използващ сблъскващи се лъчи, предназначен да ускорява протони и тежки йони (оловни йони) и да изучава продуктите от техните сблъсъци. Колайдерът е построен в CERN (Европейски съвет за ядрени изследвания), разположен близо до Женева, на границата на Швейцария и Франция. LHC е най-голямата експериментална инсталация в света. Повече от 10 хиляди учени и инженери от повече от 100 страни участваха и участват в строителството и изследванията.

Наречен е голям поради размера си: дължината на главния ускорителен пръстен е 26 659 m; адронен - ​​поради факта, че ускорява адрони, тоест тежки частици, състоящи се от кварки; колайдер (англ. collider - колайдер) - поради факта, че лъчите на частиците се ускоряват в противоположни посоки и се сблъскват в специални точки на сблъсък.

BAK Спецификации

Ускорителят трябва да сблъсква протони с обща енергия 14 TeV (т.е. 14 тераелектронволта или 14·1012 електронволта) в системата на центъра на масата на падащите частици, както и оловни ядра с енергия 5 GeV (5·109 електронволта) за всяка двойка сблъскващи се нуклони. В началото на 2010 г. LHC вече леко надмина предишния рекордьор по протонна енергия - протон-антипротонния колайдер Tevatron, който до края на 2011 г. работи в Националната ускорителна лаборатория. Енрико Ферми (САЩ). Въпреки факта, че настройката на оборудването продължава от години и все още не е завършена, LHC вече се превърна в най-високоенергийния ускорител на частици в света, надминавайки други колайдери с порядък по енергия, включително релативистичен колайдер на тежки йони RHIC, работещ в лабораторията Brookhaven (САЩ).

Светимостта на LHC през първите седмици от работата му беше не повече от 1029 частици / cm 2 s, но продължава постоянно да се увеличава. Целта е да се постигне номинална светимост от 1,7 × 1034 частици/cm 2 s, което е от същия порядък като яркостта на BaBar (SLAC, САЩ) и Belle (KEK, Япония).

Ускорителят се намира в същия тунел, който преди е бил заеман от Големия електронно-позитронен колайдер. Тунелът с обиколка 26,7 км е положен под земята във Франция и Швейцария. Дълбочината на тунела е от 50 до 175 метра, а пръстенът на тунела е наклонен с приблизително 1,4% спрямо повърхността на земята. За задържане, коригиране и фокусиране на протонни лъчи се използват 1624 свръхпроводящи магнита, чиято обща дължина надхвърля 22 км. Магнитите работят при температура от 1,9 K (-271 °C), което е малко под температурата, при която хелият става свръхфлуиден.

БАК детектори

LHC има 4 основни и 3 спомагателни детектора:

• ALICE (Експеримент с голям йонен колайдер)
• АТЛАС (тороидален LHC апарат)
• CMS (компактен мюонен соленоид)
• LHCb (Експеримент за красота на Големия адронен колайдер)
• TOTEM (Измерване на общо еластично и дифракционно напречно сечение)
• LHCf (Големият адронен колайдер напред)
• MoEDAL (Монополен и екзотичен детектор в LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb са големи детектори, разположени около точките на сблъсък на лъча. Детекторите TOTEM и LHCf са спомагателни, разположени на разстояние няколко десетки метра от точките на пресичане на лъча, заети съответно от детекторите CMS и ATLAS, и ще се използват заедно с основните.

Детекторите ATLAS и CMS са детектори с общо предназначение, предназначени за търсене на бозона на Хигс и „нестандартна физика“, по-специално тъмна материя, ALICE - за изследване на кварк-глуонна плазма при сблъсъци на тежки оловни йони, LHCb - за изследване на физиката на b-кварки, което ще позволи по-добро разбиране на разликите между материята и антиматерията, TOTEM е предназначен да изследва разсейването на частици под малки ъгли, като това, което се случва по време на близки полети без сблъсъци (така наречените несблъскващи се частици, напред частици), което позволява по-точно измерване на размера на протоните, както и контрол на светимостта на колайдера, и накрая, LHCf - за изследване на космически лъчи, моделирани с помощта на същите несблъскващи се частици.

С работата на LHC е свързан и седмият, съвсем незначителен като бюджет и сложност, детектор (експеримент) MoEDAL, предназначен за търсене на бавно движещи се тежки частици.

Докато колайдерът работи, сблъсъците се извършват едновременно във всички четири точкипресичане на лъчи, независимо от вида на ускорените частици (протони или ядра). В този случай всички детектори едновременно събират статистика.

Ускоряване на частиците в колайдер

Скоростта на частиците в LHC в сблъскващи се лъчи е близка до скоростта на светлината във вакуум. Ускоряването на частиците до такива високи енергии се постига на няколко етапа. В първия етап нискоенергийните линейни ускорители Linac 2 и Linac 3 инжектират протони и оловни йони за по-нататъшно ускоряване. След това частиците влизат в PS бустера и след това в самия PS (протонен синхротрон), придобивайки енергия от 28 GeV. При тази енергия те вече се движат със скорост, близка до светлинната. След това ускоряването на частиците продължава в SPS (Super Synchrotron Proton Synchrotron), където енергията на частиците достига 450 GeV. След това протонният куп се насочва към главния 26,7-километров пръстен, довеждайки протонната енергия до максимум 7 TeV, а детекторите записват събитията в точките на сблъсък. Два сблъскващи се протонни лъча, когато са напълно запълнени, могат да съдържат 2808 групи всеки. В началните етапи на отстраняване на грешки в процеса на ускоряване само един куп циркулира в лъч с дължина няколко сантиметра и малък напречен размер. След това те започват да увеличават броя на съсиреците. Гроздовете са разположени във фиксирани позиции един спрямо друг, които се движат синхронно по пръстена. Групи в определена последователност могат да се сблъскат в четири точки на пръстена, където са разположени детекторите на частици.

Кинетичната енергия на всички групи адрони в LHC, когато е напълно запълнена, е сравнима с кинетичната енергия на реактивен самолет, въпреки че масата на всички частици не надвишава нанограм и те дори не могат да се видят с просто око. Тази енергия се постига благодарение на скоростта на частиците, близка до скоростта на светлината.

Съсиреците преминават пълен кръгускорител по-бърз от 0,0001 сек, като по този начин прави над 10 хиляди оборота в секунда

Цели и задачи на LHC

Основната задача на Големия адронен колайдер е да открие структурата на нашия свят на разстояния по-малки от 10–19 m, като го „сондира“ с частици с енергия от няколко TeV. Досега вече са натрупани много косвени доказателства, че в този мащаб физиците трябва да открият определен „нов слой на реалността“, чието изследване ще даде отговори на много въпроси на фундаменталната физика. Какъв точно ще се окаже този слой от реалността, не се знае предварително. Теоретиците, разбира се, вече са предложили стотици различни явления, които могат да бъдат наблюдавани при енергии на сблъсък от няколко TeV, но експериментът е този, който ще покаже какво всъщност се реализира в природата.

Търсенето на нова физика Стандартният модел не може да се счита за окончателната теория на елементарните частици. Трябва да е част от някаква по-дълбока теория за структурата на микросвета, частта, която се вижда в експерименти в колайдери при енергии под около 1 TeV. Такива теории се наричат ​​общо " Нова физика" или „Отвъд стандартния модел." Основната цел на Големия адронен колайдер е да получи поне първите намеци за това какво представлява тази по-дълбока теория. За по-нататъшно обединяване на фундаменталните взаимодействия в една теория се използват различни подходи: теория на струните, която е разработена в М-теорията (теория на браните), теория на супергравитацията, примкова квантова гравитация и т.н. Някои от тях имат вътрешни проблеми и никой от тях няма експериментално потвърждение. Проблемът е, че за провеждането на съответните експерименти са необходими енергии, недостижими със съвременните ускорители на заредени частици. LHC ще позволи експерименти, които досега бяха невъзможни, и вероятно ще потвърди или отхвърли някои от тези теории. Така че има цял спектър физични теориис размери по-големи от четири, които предполагат съществуването на "суперсиметрия" - например теорията на струните, която понякога се нарича теория на суперструните, точно защото без суперсиметрия тя губи своя физически смисъл. Следователно потвърждаването на съществуването на суперсиметрия ще бъде косвено потвърждение на истинността на тези теории. Изследване на топ кварки Топ кваркът е най-тежкият кварк и освен това е най-тежката елементарна частица, открита досега. Според последните резултати от Теватрон масата му е 173,1 ± 1,3 GeV/c 2. Поради голямата си маса топ-кваркът досега е наблюдаван само на един ускорител - Теватрон; други ускорители просто не са имали достатъчно енергия за раждането му. В допълнение, топ кварките представляват интерес за физиците не само сами по себе си, но и като „работен инструмент“ за изучаване на бозона на Хигс. Един от най-важните канали за производство на бозони на Хигс в LHC е асоциативното производство заедно с топ двойка кварк-антикварк. За да се отделят надеждно такива събития от фона, първо е необходимо да се изследват свойствата на самите топ кварки. Изучаване на механизма на електрослабата симетрия Една от основните цели на проекта е експериментално доказателствосъществуването на Хигс бозона, частица, предсказана от шотландския физик Питър Хигс през 1964 г. в рамките на Стандартния модел. Хигс бозонът е квант от така нареченото поле на Хигс, при преминаване през което частиците изпитват съпротивление, което представяме като корекции на масата. Самият бозон е нестабилен и има голяма маса (повече от 120 GeV/c 2). Всъщност физиците не се интересуват толкова от самия бозон на Хигс, колкото от механизма на Хигс за нарушаване на симетрията на електрослабото взаимодействие. Изследване на кварк-глуонна плазма Очаква се приблизително един месец годишно да се прекарва в ускорителя в режим на ядрен сблъсък. През този месец колайдерът ще ускорява и ще сблъсква не протони, а оловни ядра в детектори. По време на нееластичен сблъсък на две ядра с ултрарелативистки скорости, плътна и много гореща бучка ядрена материя се образува за кратко време и след това се разпада. Разбирането на случващите се в този случай явления (преминаването на материята в състояние на кварк-глюонна плазма и нейното охлаждане) е необходимо за изграждане на по-напреднала теория за силните взаимодействия, която ще бъде полезна както за ядрена физика, и за астрофизика. Търсенето на суперсиметрия Първият значим научно постижениеекспериментите в LHC могат да докажат или отхвърлят "суперсиметрията" - теорията, която всеки елементарна частицаима много по-тежък партньор или „суперчастица“. Изследване на фотон-адронни и фотон-фотонни сблъсъци Електромагнитното взаимодействие на частиците се описва като обмен на (в някои случаи виртуални) фотони. С други думи, фотоните са носители на електромагнитното поле. Протоните са електрически заредени и обкръжени електростатично поле, съответно това поле може да се разглежда като облак от виртуални фотони. Всеки протон, особено релативисткият протон, включва облак от виртуални частици като компонент. Когато протоните се сблъскат, виртуалните частици, заобикалящи всеки протон, също си взаимодействат. Математически процесът на взаимодействие на частиците се описва с дълга поредица от корекции, всяка от които описва взаимодействието чрез виртуални частици от определен тип (виж: Диаграми на Файнман). По този начин, когато се изучава сблъсъкът на протони, взаимодействието на материята с високоенергийни фотони, което е от голям интерес за теоретична физика. Разглежда се и специален клас реакции - директното взаимодействие на два фотона, които могат да се сблъскат или с приближаващ протон, генерирайки типични фотон-адронни сблъсъци, или един с друг. В режим на ядрени сблъсъци, поради големия електрически заряд на ядрото, влиянието на електромагнитните процеси е още по-важно. Тестване на екзотични теории Теоретиците в края на 20 век излагат огромен брой необичайни идеи за структурата на света, които се наричат ​​общо „екзотични модели“. Те включват теории със силна гравитация в енергиен мащаб от порядъка на 1 TeV, модели с голяма сумапространствени измерения, преонни модели, при които самите кварки и лептони се състоят от частици, модели с нови видове взаимодействие. Факт е, че натрупаните експериментални данни все още не са достатъчни, за да се създаде една теория. И всички тези теории сами по себе си са съвместими с наличните експериментални данни. Тъй като тези теории могат да направят конкретни прогнози за LHC, експериментаторите планират да тестват прогнозите и да търсят следи от определени теории в техните данни. Очаква се резултатите, получени в ускорителя, да могат да ограничат въображението на теоретиците, затваряйки някои от предложените конструкции. Друго Също така предстои откриване физични явленияизвън стандартния модел. Предвижда се да се изследват свойствата на W и Z бозоните, ядрените взаимодействия при свръхвисоки енергии, процесите на производство и разпадане на тежки кварки (b и t).

Много обикновени жители на планетата си задават въпроса защо е необходим Големият адронен колайдер. Научните изследвания, непонятни за повечето, за които са похарчени много милиарди евро, предизвикват предпазливост и безпокойство.

Може би това изобщо не е изследване, а прототип на машина на времето или портал за телепортиране на извънземни същества, които могат да променят съдбата на човечеството? Носят се най-фантастичните и ужасни слухове. В тази статия ще се опитаме да разберем какво е адронен колайдер и защо е създаден.

Амбициозен проект за човечеството

Големият адронен колайдер в момента е най-мощният ускорител на частици на планетата. Намира се на границата между Швейцария и Франция. По-точно под него: на дълбочина 100 метра се намира пръстенов тунел на ускорителя с дължина почти 27 километра. Собственик на експерименталната площадка, струваща над 10 милиарда долара, е Европейският център за ядрени изследвания.

Огромни количества ресурси и хиляди ядрени физици са заети да ускоряват протони и тежки оловни йони до скорости, близки до светлинни, в различни посоки и след това да ги разбиват един в друг. Резултатите от директните взаимодействия са внимателно проучени.

Предложението за създаване на нов ускорител на частици дойде през 1984 г. В продължение на десет години се водят различни дискусии за това какъв ще бъде адронният колайдер и защо е необходим такъв мащабен изследователски проект. Едва след обсъждане на спецификата на техническото решение и необходимите монтажни параметри проектът беше одобрен. Изграждането му започва едва през 2001 г., като за него се използва бившият ускорител на частици - Големият електрон-позитронен колайдер.

Защо се нуждаем от голям адронен колайдер?

Взаимодействието на елементарните частици се описва по различни начини. Теорията на относителността противоречи на квантовата теория на полето. Липсващото звено при получаването общ подходкъм структурата на елементарните частици е невъзможността да се създаде теория за квантовата гравитация. Ето защо е необходим адронен колайдер с висока мощност.

Общата енергия на сблъсъци на частици е 14 тераелектронволта, което прави устройството значително по-мощен ускорител от всеки съществуващ в света днес. Чрез провеждането на експерименти, които досега бяха невъзможни по технически причини, учените най-вероятно ще могат да документират или опровергаят съществуващите теории за микросвета.

Изследването на кварк-глюонната плазма, образувана по време на сблъсъка на оловни ядра, ще позволи да се изгради по-напреднала теория за силни взаимодействия, която може радикално да промени ядрената физика и звездното пространство.

Хигс бозон

Още през 1960 г. шотландският физик Питър Хигс разработи теорията на полето на Хигс, според която частиците, влизащи в това поле, са обект на квантово влияние, което физически святможе да се наблюдава като маса на обект.

Ако по време на експериментите е възможно да се потвърди теорията на шотландския ядрен физик и да се открие бозонът на Хигс (квант), тогава това събитие може да се превърне в нова отправна точка за развитието на жителите на Земята.

И разкритите контролери на гравитацията многократно ще надхвърлят всички видими перспективи за развитие технически прогрес. Освен това напредналите учени се интересуват повече не от наличието на самия бозон на Хигс, а от процеса на нарушаване на електрослабата симетрия.

Как работи той

За да могат експерименталните частици да достигнат немислима за повърхността скорост, почти равна във вакуум, те се ускоряват постепенно, като всеки път се увеличава енергията.

Линейните ускорители първо инжектират оловни йони и протони, които след това се подлагат на стъпаловидно ускорение. Чрез бустера частиците влизат в протонния синхротрон, където получават заряд от 28 GeV.

На следващия етап частиците влизат в суперсинхротрона, където енергията на заряда им се повишава до 450 GeV. Достигнали такива показатели, частиците попадат в основния многокилометров пръстен, където на специално разположени места за сблъсък детекторите записват подробно момента на удара.

В допълнение към детекторите, способни да записват всички процеси по време на сблъсък, 1625 свръхпроводящи магнита се използват за задържане на протонни снопове в ускорителя. Общата им дължина надхвърля 22 километра. Специално проектиран за постигане на температура от −271 °C. Цената на всеки такъв магнит се оценява на един милион евро.

Целта оправдава средствата

За извършването на такива амбициозни експерименти е построен най-мощният адронен колайдер. Много учени разказват на човечеството с нескрита наслада защо е необходим научен проект за милиарди долари. Вярно, в случай на нови научни открития, най-вероятно те ще бъдат строго секретни.

Можете дори да кажете със сигурност. Това се потвърждава от цялата история на цивилизацията. Когато колелото е изобретено, човечеството овладява металургията - здравейте, оръжия и пушки!

Всички най-модерни разработки днес стават собственост на военно-промишлените комплекси на развитите страни, но не и на цялото човечество. Когато учените се научиха да разделят атома, какво беше първо? Ядрени реактори, осигуряващи електричество, обаче, след стотици хиляди смъртни случаи в Япония. Жителите на Хирошима явно бяха против научния прогрес, който отне утрешния ден от тях и децата им.

Техническото развитие изглежда като подигравка с хората, защото човекът в него скоро ще се превърне в най-много слаба връзка. Според теорията на еволюцията системата се развива и укрепва, като се освобождава от слабите си места. Скоро може да се окаже, че няма да ни остане място в света на подобряващите се технологии. Следователно въпросът „защо е нужен Големият адронен колайдер точно сега“ всъщност не е празно любопитство, защото е породен от страх за съдбата на цялото човечество.

Въпроси, на които не се отговаря

Защо се нуждаем от голям адронен колайдер, ако милиони на планетата умират от глад и нелечими, а понякога и лечими болести? Ще помогне ли той да преодолее това зло? Защо човечеството се нуждае от адронен колайдер, който въпреки цялото развитие на технологиите не успя да се научи как да се бори успешно с рака в продължение на сто години? Или може би е просто по-изгодно да се предоставят скъпи медицински услуги, отколкото да се намери начин за излекуване? Предвид сегашния световен ред и етично развитие, само шепа представители на човешката раса наистина се нуждаят от голям адронен колайдер. Защо се нуждае от това цялото население на планетата, което води непрестанна битка за правото да живее в свят, свободен от атаки срещу живота и здравето на никого? Историята мълчи за това...

Притесненията на колегите учени

Има и други представители на научната общност, които изразиха сериозни опасения за безопасността на проекта. Има голяма вероятност научният свят, в своите експерименти, поради ограничените си познания, да загуби контрол върху процеси, които дори не са добре проучени.

Този подход напомня на лабораторни експерименти на млади химици - смесете всичко и вижте какво ще се случи. Последният пример може да завърши с лабораторна експлозия. Ами ако подобен „успех“ сполети адронния колайдер?

Защо земляните се нуждаят от неоправдан риск, особено след като експериментаторите не могат да кажат с пълна увереност, че процесите на сблъсъци на частици, водещи до образуването на температури, надвишаващи 100 хиляди пъти температурата на нашата звезда, няма да причинят верижна реакцияот цялата материя на планетата?! Или просто ще нарекат нещо, способно фатално да провали почивката в планините на Швейцария или Френската Ривиера...

Информационна диктатура

Защо е нужен Големият адронен колайдер, когато човечеството не може да реши по-малко сложни проблеми? Опитът да се потисне алтернативно мнение само потвърждава възможността за непредсказуемостта на хода на събитията.

Вероятно там, където за първи път се е появил човекът, му е била присъща тази двойна черта - да прави добро и да си вреди едновременно. Може би откритията, които адронният колайдер ще ни даде, ще ни дадат отговора? Защо е нужен този рискован експеримент ще решат нашите потомци.

1.1. Физика на колайдери

Колайдерите (ускорители със сблъскващи се лъчи) са инсталации, в които възникват сблъскващи се ускорени снопове от заредени частици.
В конвенционалните ускорители лъч от частици, ускорен до висока енергия, взаимодейства с частици от неподвижна мишена. В този случай, поради закона за запазване на общия импулс, по-голямата част от енергията на падащите частици се изразходва за поддържане на движението на центъра на масата на системата, т.е. за придаване на кинетична енергия на частиците - продукти на разпадане. Само малка част от него определя полезната и ефективна енергия на сблъсък - енергията на взаимодействие на частиците в системата на техния център на масата (център на инерция), която може да бъде изразходвана например за раждането на нови частици.
При неподвижна мишена, целева частица с маса на покой m 0 в лабораторната отправна система има енергия на покой E 0 = m 0 c 2 в центъра на масата, а друга, падаща частица, със същата маса на покой m 0, се движи в тази рамка с релативистка скорост и има несравнимо по-голяма енергия от частица в покой (E >> E 0). Енергията в системата център на масата (център на инерция) се определя по формулата. Колкото по-голямо е E, толкова по-малък е неговият дял в ефективната енергия на взаимодействие на частиците.
Ако се сблъскат частици, движещи се с еднакви, но противоположно насочени импулси, тогава общият им импулс е нула. В този случай лабораторната отправна система съвпада със системата на центъра на масата на частиците и ефективната енергия на сблъсък е равна на сумата от енергиите на сблъскващите се частици. За леки частици с еднаква маса и енергия E, E cm = 2E, тази кинетична енергия може да бъде напълно използвана за взаимодействие. .
В системата на центъра на масата частиците се движат една към друга с еднакви импулси и енергии E, общият импулс на продуктите на реакцията е нула. Цялата първоначална енергия се изразходва за раждането на частици, които ни интересуват, за проникване в дребномащабната структура на материята.
Когато частиците се сблъскат, тяхната енергия се прехвърля към най-малките „капчици“ материя, които „експлодират“ и ние наблюдаваме разсейването на получените частици. Изследователите научават за структурата на материята в малък мащаб от специфичното разпределение на тези частици или от новите частици, които се раждат (повечето от които са много краткотрайни).
Предимството на процеса на взаимодействие при сблъскващи се снопове е особено голямо за леките частици - електрони, позитрони (поради ниската им енергия на покой). Ускорителите с фиксирана цел и ускорителите, използващи сблъскващи се лъчи, се считат за еквивалентни, ако с едни и същи сблъскващи се частици имат еднакви полезни енергии, изразходвани директно за реакцията на взаимодействие в центъра на масата. Формула, свързваща кинетичните енергии на частиците в еквивалентни ускорители със стационарна цел E n и в сблъскващи се лъчи E cm. в ултрарелативисткия случай има формата: E n = E 2 cm. /2E 0 . Използвайки това съотношение, възможно е да се изчисли енергията за ускорител с фиксирана цел, еквивалентен на колайдер.
Изчислението показва, че за да се получи кинетичната енергия, еквивалентна на енергията BEPC (LEP), равна на E cm = 0,209 TeV без използването на сблъскващи се лъчи, енергията на ускорителя трябва да бъде E n = 4,274 × 10 4 TeV и E n .. / E cm = 2 ·10 5). Същите стойности за LHC адронния колайдер са E n = 1,044 10 5 TeV и E n.. / E cm = 7500 (LEP и LHC са най-големите построени електрон-позитронни и адронни пръстенови колайдери) От горното изчисление се получава ясно е, че само чрез използване на схема на сблъскващ се лъч можем да получим много високи ефективни енергии.
Ако се използват по-ниски енергии, би било възможно да се мине с традиционните ускорители, но прилагането на принципа на сблъсък на частици позволява да се направи инсталацията много по-компактна.

1.2. Сравнение на пръстеновидни и линейни колайдери. Синхротронно лъчение

Както се вижда от табл. 1а, с изключение на колайдера SLAC (SLK, SLC), всички конструирани колайдери бяха пръстеновидни. Пръстеновите колайдери почти винаги са по-компактни от линейните. Трябва да се отбележи обаче, че използването на кръгови траектории за ускоряване на светлинни частици е ограничено от силното синхротронно лъчение, генерирано по време на тяхното въртене.
Енергията на синхротронното излъчване U за релативистична частица зависи от нейната маса m 0 енергия E, радиус на траекторията ρ и се определя по формулата:

(1.1)

Поради голямата разлика между масата на покой на електроните и протоните при еднакви енергии и радиуси на въртене, мощността на синхротронното излъчване на електронен лъч ще бъде 1013 пъти по-голяма от тази на протонен лъч.
В колайдера BEPK (LEP), където въртящият се лъч се характеризира със следните параметри:
E ≈ 100 GeV, ρ = 4 km, B = 0,75 T, загубата на енергия на оборот е 2 GeV. В случай на протонни колайдери, коефициентът 8,85×10 -5 във формула (1.1) трябва да бъде заменен с 7,8×10 -18.
Поради големите синхротронни загуби не са създадени електрон-позитронни пръстеновидни колайдери с енергия в центъра на масата, по-голяма от 208 BeV. Въпреки това работата разглежда дизайна на електрон-позитронен колайдер, разположен в тунел със същия диаметър като колайдера BEPK (дължина на пръстена 22,8 km). При светимост от 10 32 cm -2 s -1 енергията на всеки лъч трябва да бъде 400 GeV. За да се покрият загубите, дължащи се на синхротронно лъчение, би било необходимо да се изразходват 100 GV RF мощност.
Понастоящем, когато се използват електрони (позитрони), линейните колайдери се считат предимно за обещаващи в диапазона TeV. В същото време се разработват пръстеновидни мюонни колайдери, където се сблъскват елементарни частици с маса, значително надвишаваща масата на електроните. Предполага се, че първите мюонни колайдери ще имат енергия на центъра на масата 0,1 - 3 TeV и светимост (1 - 5)×10 34 cm -2 s -1.

1.3. Основни параметри на колайдери

Първата основна характеристика на колайдера - енергията на неговите лъчи - е избрана въз основа на проблемите на физиката на елементарните частици, които се предполага, че ще бъдат решени по време на неговото създаване. Обикновено обхватът на тези задачи се оказва много широк. Таблица 2-1 предоставя данни за някои от експериментите, които са или ще бъдат проведени в редица високоенергийни колайдери. Кратка информация за частиците, които се сблъскват в колайдери и решаваните проблеми във физиката на елементарните частици ще бъдат обсъдени в следващия раздел.
Светимостта на колайдера е втората най-важна характеристика. С увеличаването на светимостта се увеличава броят на сблъскващите се частици. Геометричната яркост зависи от честотата (f) на сблъсъци на бучки, броя на частиците в купчината на всеки лъч (n 1 и n 2) и от напречното сечение на купчината (S). Светимост (L ) се определя по формулата:

Когато частиците се сблъскат, взаимодействието между тях може или не може да възникне. Възможно е да се определи само вероятността за конкретен резултат от сблъсък. Вероятността за взаимодействие се определя от стойността на напречното ефективно напречно сечение на взаимодействието σ, което има размер на площ (cm 2) и се определя по формулата:

където N е броят на частиците, които са преживели взаимодействие за единица време (нееластични сблъсъци). Стойността на σ обикновено се изразява в милибарни (1 mbarn = 10 -27 cm 2). В работата и в редица други работи е дадена формула, която определя стойността на светимостта, която отчита излъчването на лъча, разпределението на Гаус на електроните в групата, а също така отчита стойността на общ ъгъл на сблъсък на гроздовете.
Често се използва концепцията за интегрална осветеност (или интегрална осветеност), т.е. осветеност, умножена по времето на работа на ускорителя по време на „стандартна ускорителна година“. Продължителността на една стандартна година обикновено се приема за 10 6 - 10 7 секунди, което е приблизително равно на четири месеца. Интегрираната осветеност обикновено се изразява в обратни пикобарни (pbarn -1) или обратни фемтобарни (fbarn -1).
За да разберете колко често ще се случва определен процес в конкретен колайдер, трябва да умножите напречното сечение на процеса по светимостта на колайдера (N = σL). Поради неидеалната ефективност на детектора, броят на действително записаните събития, разбира се, ще бъде по-малък.
Те не винаги се стремят да получат възможно най-висока яркост. Ако има много частици във всеки клъстер на адронния колайдер, тогава, когато те се сблъскат, няколко независими протон-протонни сблъсъци ще се появят едновременно. Детекторът ще записва насложени следи от всички тези сблъсъци наведнъж, което ще усложни анализа на процеса на взаимодействие.
Тъй като напречното сечение за процесите намалява като квадрат на енергията на частиците, светимостта на високоенергийните колайдери трябва да бъде изключително висока. Стойностите на осветеността на някои конструирани колайдери са дадени по-горе в таблици 1-B и 2-B

Таблица № 2.1. Изследвания, проведени в някои колайдери

Проектната стойност на големия адронен колайдер (LHC) в CERN, пуснат в експлоатация през 2009 г., е определена на L = 10 34 cm -2 s -1. Ако приемем, че напречното ефективно напречно сечение на взаимодействието в центъра на масата в колайдера LHC е σ = 80 mb, тогава когато LHC работи при енергия в центъра на масата от 14 GeV, стойността е N = 8 ×10 8 s - 1.
Предполага се, че продължителността на работа на колайдера ще бъде приблизително 10 7 s годишно, а интегралната му светимост за годината ще бъде около 10 41 cm -2. При σ = 80 mb могат да се случат 8 × 10 15 събития на година. Повечето от тези събития ще произведат няколко хиляди частици. Нито една електронна или компютърна система не е в състояние да обработва такъв поток от информация. Такава висока светимост обаче е необходима при изучаване на изключително редки събития с малки напречни сечения, които са характерни за новата физика. С добра електроника, която позволява надежден избор на събития с предварително известни характеристики, е възможно да се получи информация за до сто събития годишно в процес с много ниско напречно сечение σ = 1 fb. Именно за работа с такива събития е необходима високата светимост на колайдера.
Третата основна характеристика на колайдера е типът на сблъскващите се частици. От горната таблица 1-B и таблица 2-B става ясно, че както електрон-позитронните, протон-антипротонните ускорители, така и електрон-протонните ускорители са построени и се използват. Трябва да се отбележи, че използването на античастици не е необходимо, тъй като разликата в знака на заряда има малък ефект върху резултатите от физическите изследвания. Разликата в знака на заряда има по-голям ефект върху конструкцията на колайдера.При пръстеновидните колайдери използването на частици и античастици им позволява да се движат през един канал (тръба), както е направено например в Tevatron ускорител. В същото време в колайдера LHC се сблъскват само протони или оловни йони от същия знак. Това обаче изисква насочване на сблъскващите се частици през два различни канала.
Електронно-позитронните линейни колайдери имат определени предимства пред адронните колайдери по отношение на анализа на резултатите, получени при експерименти. В същото време, поради липсата на пръстени за съхранение, е по-трудно да се получи висока светимост в тях.
В следващите раздели се обсъжда сравнение на естеството на сблъсъците в електрон-позитронните и адронните колайдери.

1.4. Кратко въведение във физиката на елементарните частици

Понастоящем основата на физиката на елементарните частици е "Стандартният модел" - квантово-механичната теория на локалните полета. Изследва полетата на всеки вид елементарна частица (с изключение на гравитационното поле). Трептенията на такива полета пренасят енергия и импулс от едно място в пространството на друго. Според квантова механикавълните се събират в пакети или кванти, които се наблюдават в лабораторията под формата на елементарни частици.
В „Стандартния модел" (Таблица 3.1) фермионите са елементарните частици, които изграждат материята. Те са представени от два вида полета: лептонни полета (лептон от гръцкото „лептос" - светлина) и кваркови полета („кварк“ е фундаментална частица в стандартните модели). Фермионите са разделени на три поколения. Всеки представител на следващото поколение има маса, по-голяма от съответната частица от предишното. Всички обикновени атоми съдържат частици от първо поколение. Второто и третото поколение заредени частици не присъстват в обикновената материя и се наблюдават само при много високи енергийни условия.

Таблица № 3.1. Стандартен модел

Квантите на лептонните полета са: електрони, по-тежки частици - мюони, таони и електрически неутрални частици, известни като неутрино.
Квантите на кварковите полета са: up, down, charm, strange, true и charm quarks. Някои от кварките са свързани заедно в протоните и неутроните, които изграждат ядрата на обикновените атоми. Съставните части на ядрото: протоните и неутроните също са фермиони.
Силите на взаимодействие между частиците се определят от процесите на обмен на фотони, W +, W - и Z 0 частици, както и осем вида глуони (глюон).Носителите на взаимодействията се наричат ​​калибровъчни бозони.
Между заредените частици се осъществява електромагнитно взаимодействие. Под въздействието на електромагнитните сили частиците не се променят, те само се привличат или отблъскват. Носител на взаимодействието са фотоните. Електромагнитната сила задържа електроните в атомите и свързва атомите заедно в молекули и кристали.
Кварките са обект на силни взаимодействия. Той ги свързва заедно, за да образуват протони, неутрони и други комбинирани частици. Силната сила засяга връзката между протоните и неутроните в атома. Носителите на това възбуждане са глуоните. Това е най-силното взаимодействие в природата. Това е преобладаващият тип взаимодействие в ядрената физика на високите енергии. Взаимодействието е ограничено до много къси разстояния.
Слабото взаимодействие възниква между кварки и лептони. Най-известният ефект на слабото взаимодействие е модификацията на кварките, която по свой начин. на свой ред, кара неутрона да се разпадне на протон, електрон и анти-неутрино.
Носители на възбуждане са W +, W - и Z 0 бозони. Слабото взаимодействие, което възниква по време на бета-разпада на радиоактивните ядра, има много кратък обхват.
Четвъртата сила на взаимодействие е силата на гравитацията. В квантовата теория се приема, че носителят на гравитационното взаимодействие е гравитонът. Гравитонът е частица, която няма маса. Има въртене 2.
Гравитационното взаимодействие е универсално. В него участват всички частици. Това взаимодействие е най-слабото. Той свързва части от земното кълбо, обединява Слънцето и планетите в слънчева система, свързва звездите в галактиките, определя мащабни събития във Вселената.
. Гравитационното поле е описано от Общата теория на относителността на Айнщайн. През първата половина на двадесети век бяха направени многобройни опити за създаване на единна теория за фундаменталните взаимодействия, която включваше гравитацията. Все още обаче не е предложен напълно задоволителен модел. Това по-специално се дължи на факта, че общата теория на относителността и теориите, описващи други взаимодействия, са различни по природа. Гравитацията се описва чрез кривината на пространство-времето и в този смисъл гравитационното поле е нематериално, докато другите полета са материя. Тяхното обединение все още не е постигнато поради трудностите при създаването на квантова теория на гравитацията. Понастоящем се използват различни подходи за обединяване на фундаменталните взаимодействия: теория на струните, примкова квантова гравитация, а също и М-теория.
Стандартният модел предполага съществуването на друго поле, което е практически неотделимо от празното пространство и не съвпада с гравитационното поле. Обикновено се нарича полето на Хигс. Смята се, че цялото пространство е изпълнено с това поле и че всички фундаментални частици (лептони, кварки и калибровъчни бозони) придобиват маса в резултат на взаимодействие с полето на Хигс.
Квантите на това поле са Хигс бозони. Бозонът на Хигс е теоретично предсказан през 1964 г. от шотландския физик П. Хигс.
Хигс бозонът е последната частица от Стандартния модел, която все още не е намерена.
Тази частица е толкова важна, че нобеловият лауреат Леон Ледерман я нарече „божествената частица“. Предполага се, че има четири или дори пет Хигс бозона, които са скаларни частици, т.е. имат нулево въртене. Пет разновидности на Хигс бозона с различни заряди (три неутрални, един положителен и един отрицателен) са докладвани в статията.
Дълго време се предполагаше, че горната граница на масата на Хигс бозона е по-малка от 1 TeV.
Въпреки това, през 2004 г., в колайдера Tevatron, при обработката на експериментални данни, получени чрез определяне на масата на t-кварка, стойността на горната граница на масата на бозона на Хигс беше ограничена до 251 GeV.
Изследванията за откриването на бозона на Хигс са били и продължават да се извършват в редица други колайдери. Широк набор от изследвания за откриване на бозона на Хигс бяха проведени в колайдера LEP с енергия в центъра на масата 208 GeV, но не бяха успешни.
Очаква се експериментално потвърждение за наличието на бозони на Хигс и тяхното усъвършенстване
характеристиките ще бъдат извършени в колайдера LHC.
Както се вижда от табл. 2.1, няколко колайдера провеждат изследвания на състояние на материята, наречено кварк-глуонна плазма, където цветните кварки и глуони, като свободни частици, образуват непрекъсната среда, наречена хромоплазма. Проводимостта на хромоплазмата е подобна на електрическата проводимост, която се среща в електронно-йонната плазма. от модерни идеикварк-глюонна плазма се образува, когато високи температурии/или висока плътност на адронна материя. Предполага се, че в естествени условия тази плазма е съществувала в първите 10 -5 s след Големия взрив. Тези условия могат да присъстват в центъра на неутронните звезди. Преходът към плазмено състояние на кварк-глюкон може да се случи при температура, съответстваща на кинетична енергия от ~ 200 MeV.
Първите експериментални резултати относно кварк-глуонната плазма са получени през 1990 г. в CERN на Super Proton Synchrontron, SPS. След това през 2000 г., също в CERN, беше обявено откриването на това „ново състояние на материята“. По-нататъшни изследвания бяха проведени в колайдера RHIC. Смята се, че образуването на кварк-глуонна плазма изисква енергия от ~3,5 TeV. През 2010 г. беше съобщено, че по предварителни данни температурата на плазмата е 3,5 -4 трилиона градуса по Целзий. Работата е извършена върху сблъсъка на оловни и златни йони в RHIC. Колайдерът работеше при енергия на центъра на масата ~33 TeV.
През ноември 2010 г. работата с оловни йони и производството на кварк-глуонна плазма започна в Големия адронен колайдер LHC. През първата седмица е получена кварк-глуонна плазма с температури от десетки трилиони градуси.
Една от важните области на физиката на елементарните частици е изучаването на проблемите на симетрията. По този начин в ускорителите PEP II и KEK-B, които по-специално са фабрики за B-мезони, се изучават проблемите с нарушаването на CP-симетрията (C-симетрия на заряда, превръщане на частица в античастица). P - пространствена симетрия, огледално отражениесистеми Отначало физиците смятаха, че при провеждане симетрична трансформация на всяко взаимодействие между частици, резултатът ще бъде непроменен - ​​симетрията ще се запази. въпреки това експериментални изследванияпоказа, че по време на слаби взаимодействия както P-, така и C-симетрията са нарушени. Изследването на проблемите с нарушаване на симетрията при колайдерите PEP II и KEK-B е ефективно поради тяхната висока осветеност.
В близко бъдеще ще бъдат извършени изследвания на проблемите на симетрията при много високи енергии на колайдера LHC, което ще направи възможно измерването на много по-голям бройразпадане на B мезони с нарушение на CP симетрията, отколкото в предишни експерименти. Стандартният модел ще бъде подложен на още един задълбочен тест и ще се появи обяснение защо природата е предпочела материята пред антиматерията.
Основната цел на увеличаването на енергията на ускорените частици е да направи възможно изследването на взаимодействието на частиците на все по-малки разстояния и за по-кратки времена. Възможно е да се изследва вътрешната структура на елементарни частици с изключително малки размери
Няма причина да се смята, че квантовата теория на полето не работи до мащаби, съизмерими с дължината на Планк, където започват да се появяват квантовите ефекти на гравитацията и където структурата на материята съответства на разстояния от порядъка на 10 -33 cm и маса на Планк m p ≈ ћc/G) 1/2 ≈ 1,2×10 19 GeV/c 2, т.е. енергия в центъра на масата ≈10 19 GeV (ћ - константа на Дирак, c - скорост на светлината, G - гравитационна константа)
Най-малкият достъпен мащаб на изучаваните явления при сблъсък на частици с импулс p (енергия E = (p 2 c 2 + m 2 c 4) 1/2 се определя от дължината на вълната l = h/p = hc/E.
За решаването на този проблем се използват сблъсъци на елементарни частици в колайдери.
Стотици експерименти вече са позволили да се проникне в структурата на материята, която се характеризира с разстояния от 10 -18 см. Разбира се, създаването на колайдери с енергия в центъра на масата ≈ 10 7 TeV за реализиране на разстояния от 10 -33 cm не е възможно.

1.5. Сравнение на адронни и лептонни колайдери

Интересно е да разгледаме някои от предимствата и недостатъците на адронните и електрон-позитронните колайдери.
Адрони: протоните и антипротоните са съставни частици, състоящи се от от три кварка (два u-кварка с електрически заряд+2/3 и един d-кварк със заряд -1/3, които се държат заедно от глуонното поле (вижте също Таблица 3.1 и) Въпреки това, ако протонът лети със скорост, много близка до скоростта на светлината, той се оказва, че е изпълнен главно с глуони и съдържа значително по-малко кварки и антикварки. Протоните и антипротоните изглеждат почти идентични при тези условия и затова няма голяма разлика дали протоните се сблъскват с протони или протоните се сблъскват с антипротони. Глуонното поле в него престава да бъде просто свързваща сила и се материализира под формата на поток от частици - глуони - които летят до кварките. Бързо движещият се протон се състои от глуонни, кваркови и дори антикваркови „облаци“ – партонни плътности – смесени един в друг.
Когато два протона се сблъскат челно, един кварк от един протон се сблъсква с кварк от противоположния протон, а останалите партони просто прелитат. Когато се сблъскат, партоните получават силен „удар“, който ги изхвърля от техните родителски протони. Глуонното поле обаче има конфайнмент - явление, състоящо се в невъзможността да се получат кварки в свободно състояние. При експерименти се наблюдават само кваркови агрегати, състоящи се от два мезона или три кварка (бариони). Възниква адронизация - енергията на удара се изразходва за раждането на множество адрони. В този процес партоните - "наблюдатели" вече вземат активно участие. Възможно е добре да се изчислят процеси с отделни кварки или глуони, но все още не е възможно точно да се опише адронизацията. Поради адронизацията сблъсъкът протон-протон е много различен от сблъсъка на лептон (например електрон-позитрон). Процес на анализ p - p + сблъсъците са много сложни.
Връзката между теорията и експеримента при адронните сблъсъци не е толкова пряка, колкото при електрон-позитронните сблъсъци. При експериментите с адронен колайдер е по-трудно да се определят свойствата на новите частици.
За разлика от протона, електронът и позитронът са елементарни частици и енергията, отделена при техните сблъсъци, се определя с висока точност. Електронно-позитронните колайдери улесняват определянето на други характеристики на откритите частици.
Изградените адронни колайдери имат много страхотна енергияв центъра на масата. Не цялата тази енергия обаче може да се използва за създаване на нови частици. По този начин, за LHC, от обща енергия от 14 TeV, само енергия от 2 TeV се използва полезно. При електрон-позитронните ускорители почти цялата енергия е полезна. По този начин, със същата енергия в центъра на масата, електрон-позитронните колайдери имат 5-10 пъти предимство пред адронните колайдери.
Когато се характеризират електрон-позитронните линейни колайдери, трябва да се отбележи, че честотата на повторение на сблъсъци на сблъскващи се групи е ниска в сравнение с пръстенните електрон-позитронни колайдери. Отново трябва да се отбележи, че основният недостатък на линейните колайдери е, че всеки куп електрони и позитрони се използва само веднъж.
В близост до плътен поток от заредени частици електромагнитното поле, възбудено от тях, е много силно. Радиацията в това поле води до големи загуби на енергия от сблъскващи се частици и повишава нивото на шума. За да се отслаби, гредите се разтягат в една от напречните посоки.
Поради ниското излъчване на лъчите и тяхното много силно фокусиране, в линейните колайдери се надяват да получат светимост в центъра на масата, равна на ((2-6) × 10 34 cm -2 s -1, не по-ниска от светимост на пръстеновидните колайдери.

Препратки към Въведение и Глава 1

Свойства на система за ускоряване на пресичащ се лъч” // Kerst D. W./ CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36 http://cdsweb.cern.ch/record/1241555/files/p36.pdf

„Ускорители и сблъскващи се лъчи“ // G.I. Budker / В книгата: Доклади на VII Международна конференция за ускорители на високоенергийни заредени частици, том 1, Er., 1970, p. 33; Контра греди. Шесто общосъюзно съвещание по ускорителите на заредени частици (Дубна, 1978 г.), Дубна, 1978 г., стр. 13; X Международна конференция за ускорители на заредени частици с висока енергия (Протвино, 1977 г.), том 1, Серпухов, 1977 г.

„Ускорители на сблъскващи се лъчи“ // В. П. Дмитриевски./ Голяма съветска енциклопедия http://slovari.yandex.ru/~books/TSB/Accelerators%20on%20colliding%20beams.

“Физика на Хигс бозона при бъдещи фотонни колайдери” // И. П. Иванов/ http://hnature.web.ru/db/msg.html?mid=1181352

„Тъмната енергия на Вселената” // В. Лукин, Е. Михеева / „Около света” № 9 (2816). септември 2008 г.

“Търсене на частици тъмна енергия” // V.A.Ryabov et al./ “Advances in Physical Sciences” Volume 1788, No. 11 p.1129-1161

„ПАРАМЕТРИ CLIC 2008“ // H. Braun et al / CLIC-Note-764

„Проучване на дизайна на CLIC инжектора и бустера Linacs с параметрите на лъча от 2007 г.“// A. Ferrari et al./ CLIC - Бележка -737

„Много голям лептонен колайдер в тунела WLHC“//T.Sen и J.Norem /www.capp. ill.edu/workshops//opem/References/sen.pdf.

„Експеримент“ // B.S. Ишханов, И.М. Капитонов, Е.И. Кабина / Уеб публикация по учебника на Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Е.И. Кабина. "Частици и ядра. Експеримент", М.: Издателство на МГУ, 2005 г. http://nuclphys.sirp.msu.ru/експеримент/

“Колайдер” // B.S. Ишханов, И.М. Капитонов, Е.И. Кабина / http://nuclphys.sirp.msu.ru/experiment/accelerators/collider.htm.

“LHC машина”//L. Evans и P.Bryant (редактори)/ Публикувано от Institute of Physics Publishing и SISSA, 2008 JINST 3 SO8001

„Физика на големия адронен колайдер”// „Напредък във физическите науки”, том 179, № 6. юни 2009 г., стр. 571-579 (устен брой на сп. „Успехи физических наук”)

“Единна физика до 2050 г.” // С. Вайнберг, превод А. Крашеница / http://www.scientifisic.ru/journal/weinberg/weinberg,html .

„Експерименти в адронни колайдери“ http://elementy.ru/LHC/experiments

„Физика на ядрото и елементарните частици. Елементарни частици” //V. Каланов/ http://znaniya-sila.narod.ru/physics/physics_atom_02.htm

„Четири основни вида сили в природата“ // Ч. Кител, У. Найт, М. Рудърман / Курс по физика в Бъркли. Том 1. Механика, стр.456

„Основи на физиката на елементарните частици. Структурата на материята"// http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak3.htm

„Фундаментални взаимодействия“// http://ru.wikipedia.org/wiki/Fundamental_interactions

„Отвъд LHC: бъдещи колайдери” // Д. Борн/ http://www.3dnews.ru/news/za_granu_bak_budushie_kollaideri/

„Предстоящи революции във фундаменталната физика” //Дейвид Грос/ http://elementy.ru/lib/430177

„Примкова квантова гравитация“ http://ru.wikipedia.org/wiki

„Учените увеличиха броя на Божиите частици до 5“ // Lenta.ru. http://lenta.ru/news/2010/06/15/boson/

„Кварк-глюонна плазма“ // http://site/enc/e036.htm

„Лов на кваркова глуонна плазма“ // BNL-73847-2005 Окончателен доклад / www.bnl.gov/npp/docs/Hunting%20the%20QGP.pdf Физика

“Експеримент LHCb”//NINP MSU, 2004 / http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/antiv.htm

„Движение на заредени частици в електрически и магнитни полета“ // L.A. Арцимович и С.Ю. Лукянов /кн. Издателство "Наука". Москва 1972, с. 171-177

„Колайдер от ново поколение” //Б. Бариш, Н. Уок http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak13.htmр, Х. Ямамото. Превод: A.A. Сорокин Специален доклад в сп. "В света на науката" № 5 за 2008 г. Колайдер от ново поколение.

”Физика на ускорителя и технологии за линеен колайдер. Лекция I”// S.D..Holmes/ Hep.uchicago.edu/~kwangie/LectureNotes_Holmes.pdf

“Фотонен колайдер и изследване на фундаменталните взаимодействия”// И. Ф. Гинзбург/ http://www-fima-ru.narod.ru/

„Прогрес на мюонния колайдер“ // R.B. Палмър

/www.cern.ch/accelconf/e98/PAPERS/THZ04A.PDF THZ04A.PDF

„МНОГОРЕЖИМЕН ИМПУЛСЕН КОМПРЕСОР SLED-II“ // S.V. Kuzikov et al/Proceedings of LINAC 2004, THP28 pp. 660-662

„Система за линейно разпределение с многомодово RF закъснение“ //S.G. Tantawi et al/SLAC-PUB-9125

„Изследвания на RF разбивка в електронни линейни структури при стайна температура / Грегъри А. Льов и У. Уанг // Slac-PUB-4647, май 1988 г.

„Ограничение на градиента за високочестотни ускорители“/ Döbert // Proceedings of Linac 2004, Lübeck, Германия, WE 101

„Физика и технология на линейни колайдери от 0,5 до 1,0 TeV.”// Stuart Tovey - Wollongang - 2004./ Интернет, SNT-Wollongang, ppt.

“4 XFEL ускорител” //

„Европейският рентгенов лазер със свободни електрони. Доклад за технически проект” // http://xfel.desy.de/localfs.Explorer_read?Current.Path=afs/desy.de/group/xfel/wof/EPT/TRD/XFEL-TRD-final.pdf.

ВЪВЕДЕНИЕ

Ускорителите, използващи сблъскващи се лъчи, се наричат ​​колайдери (от английската дума to collide - сблъсквам се). Те са основният инструмент за експериментално изследване на процесите във физиката на елементарните частици в областта на свръхвисоките енергии.Количеството енергия, получено при сблъсъци на лъчи, не може да бъде постигнато в конвенционалните ускорители със стационарна мишена.
Разработването и изграждането на съоръжения със сблъскващи се лъчи започва през 1956 г. в лаборатории в Русия (СССР) и в чужбина след публикуването на предложение за използване на колайдери от американския физик У. Керст.
В работата на G.I. Budker съдържа забележка, че идеята за използване на сблъскващи се лъчи е изразена за първи път от Ya.B. Зелдович (СССР), макар и с песимистичен тон поради ниската плътност на частиците в сблъсъчните лъчи.
Първоначално са създадени електрон-електронни и електрон-позитронни колайдери (1956-1966 г.) Предложението за тяхното развитие принадлежи на G.I. Будкер (СССР). Първите колайдери са създадени в Института по ядрена физика (СССР Русия), в Станфордския център за линейни ускорители (САЩ), в Лабораторията за линейни ускорители във Фраскати (Италия), в лабораторията Орсе (Франция). Малко по-късно бяха пуснати адронни колайдери (адрон - от гръцката дума „adros“, което означава „голям, масивен“), включително йонни колайдери. Колайдерите с протон-протонни и протон-електронни лъчи са създадени в CERN (Швейцария), Германия и Великобритания (виж таблица 1a-B и таблица 1b-B).
Проблемът с увеличаването на светимостта на сблъскващи се лъчи в пръстеновидните колайдери беше решен благодарение на натрупването на ускорени частици в пръстените за съхранение. В линейните колайдери високата плътност на взаимодействащите лъчи се осигурява от ускорители с високотокови лъчи, които имат нисък емитанс и малко енергийно разпространение, както и чрез използване на синхротронно лъчение в амортизационни пръстени и йонизационно охлаждане.
Първият електрон-позитронен колайдер VEPP-2, произведен в INP. Г.И. Будкера (Русия), беше пръстен. Като ускорител беше използван синхротрон без желязо, лъчът от който беше инжектиран в пръстен за съхранение. На базата на ускорителя SLAC е създаден единственият досега линеен електрон-позитронен колайдер. Увеличаването на осветеността се постига чрез използването на демпферни пръстени.
Появата на ускорители на заредени частици и високоенергийни колайдери направи възможно разработването на нови теоретични модели на физиката на елементарните частици и провеждането на експериментално тестване на „Стандартния модел“.
Физическите изследвания в областта на елементарните частици изискват значително увеличаване на енергията на сблъскващи се лептони и адрони в центъра на масата (до 1 TeV или повече). От края на 80-те години световната общност от учени се фокусира върху изграждането на колайдери в енергийния диапазон TeV. В момента тези произведения са станали международни.
Физиците се надяват, че изключително високите енергии ще помогнат да се отговори на някои фундаментални въпроси в науката: Как частиците придобиват маса? Каква е пространствено-времевата структура? Какво създава тъмна енергия и тъмна материяпространство? . По-специално се предполага, че в колайдерите ще стане възможно да се извършват точни измервания на характеристиките на бозона на Хигс, който е отговорен за възникването на масата на елементарните частици и установяването на неговото поле. Те също така ще направят възможно изучаването на въпроси на суперсиметрията.

Таблица № 1а-Б. Списък на основните построени колайдери

Физиците са почти сигурни, че през следващите десет до петнадесет години ще бъдат направени революционни открития с помощта на колайдери.
Продължаващото развитие на нови електрон-позитронни линейни колайдери, включително фотонни и мюонни колайдери, се случва в момент, когато Големият пръстеновиден адронен колайдер (LHC) започна да работи. Този колайдер ще решава преди всичко гореспоменатите проблеми на физиката на елементарните частици и въпросите на Вселената.

Таблица № 1b -B. Списък на някои разработвани линейни колайдери

В колайдерите като ускорители се използват синхротрони и линейни резонансни ускорители (LRU). Дори в пръстеновидните колайдери, базирани на синхротрони, LRU задължително се използват като синхротронни инжектори. Ускоряването на частиците в синхротроните се извършва в резонаторни системи, които са фрагменти от RF системи на линейни ускорители. LRU са в основата на линейните лептонни колайдери. Нови обещаващи методи за ускоряване на частици в колайдери, като ускорение на събуждане в плазма, също изискват използването на LRU като плазмени възбудители.
Разработването на нови линейни високоенергийни електрон-позитронни колайдери наложи обширни теоретични и експериментални изследвания за избора на работния честотен диапазон, използван в линейните резонансни ускорители. електрони (LUE) и протони (LUP). Желанието да се намали дължината на ускорителите изисква разработването на нови ускоряващи структури, работещи в C-, X-, K u- и K диапазоните на дължина на вълната.
При създаването на нови колайдери в енергийния диапазон TeV бяха решени много проблеми в технологията на линейните резонансни ускорители. Създадени са RF ускоряващи структури в диапазоните, изброени по-горе, работещи на значително по-високи честоти от използваните преди. Осигурява се надеждна работа на “топли” структури с ускоряващ градиент от 100 MV/m при честоти до 12 GHz (K u - диапазон).
Разработени са високомощни радиочестотни източници - еднолъчеви клистрони с X-диапазон.
Други елементи на RF захранващи пътища също са подобрени, например устройства за компресиране на RF импулси или устройства за забавено разпределение. Тази техника позволява един клистрон да се използва за захранване на множество ускоряващи секции.
Разработени са L-лентови многолъчеви клистрони с импулсна мощност 10 MW и продължителност на радиочестотния импулс 1,6 ms.
В същото време трябва да се отбележи, че първоначално планираните цели за създаване на колайдери с T-диапазон с помощта на линейни ускорители с K-обхват (честота 30 GHz) не можаха да бъдат реализирани. Идеята за използване на свръхвисоки честоти се основава на факта, че електрическата якост на структурата нараства почти линейно с нарастваща честота. Обширни теоретични и експериментални изследвания на новия линеен колайдер (NLC) в САЩ, глобалния линеен колайдер (GLC) в Япония, японския линеен колайдер (JLC) и компактния линеен колайдер (CLIC) в Швейцария обаче показаха, че , поне при сегашната технология, няма забележимо увеличение на ограничаващия градиент електрическо полепри честоти на трептене над 12 GHz. Това беше причината за прехода от честота 30 GHz към честота 12 GHz в колайдера CLIC.
Желанието за повишаване на оперативната надеждност и някои други причини доведоха до факта, че развитието на Международния линеен колайдер (ILC) започна да се основава на използването на L-честотния диапазон и свръхпроводящи ускоряващи структури.
Друг проблем, който трябваше да бъде решен, беше свързан с напречните диодни модове висок рединдуцирани от електронни или позитронни групи от частици в ускоряващи структури и електронни проводници. Появата на тези полета е особено нежелателна при големи дължини на електронни пътища. По-високите режими на напречните диполни полета водят до увеличаване на напречните размери на лъча (до колапса му), увеличаване на излъчването и енергийното разпространение. Режимите, които причиняват нестабилност на лъча, са особено обезпокоителни при високи честоти, но трябва да бъдат потиснати и в L-обхвата.
Специално място заемат проблемите, свързани с проекта Compact Linear Collider (CLIC). За разлика от конвенционалните схеми, CLIC използва принципа на двулъчево ускорение. Основните многосекционни ускоряващи структури на LU електрони и позитрони се захранват не от клистрони, а от RF енергия, която се генерира в де-ускорителите по време на спиране на релативистичния лъч на ускорителите-възбудители.
Както бе споменато по-горе, създаването на LUE за колайдери стимулира разработването на нови мощни клистрони, включително многолъчеви в различни честотни диапазони.
Трябва да се отбележи, че разработките на LUE за колайдери са намерили приложение в лазери на свободни електрони, в създаването на инсталации за безразрушителен тест, за терапия и диагностика на злокачествени тумори. RF технологията, разработена за Международния линеен колайдер и свързана с LUE, се използва при проектирането на европейския рентгенов лазер със свободни електрони, изграждан в DESI.
Основните въпроси, свързани с LRU, бяха разрешени по време на изграждането и развитието на линейни колайдери на електрони и позитрони. Те са обхванати главно в Глава 3, „Високоенергийни линейни електрон-позитронни и фотонни колайдери“. По-накратко, проблемите, свързани с LRU инжекторите и системите за ускоряване на частици в синхротроните, са представени в Глава 2, „ВИСОКОЕНЕРГИЙНИ ПРЪСТЕННИ КОЛИДЕРИ“, която описва Големия електрон-позитронен колайдер (LEPC) и Големия адронен колайдер (LHC).
Материал, свързан с метода на ускоряване на събуждането, е даден в Глава 4, МЕТОД НА УСКОРЕНИЕ НА СЪБУЖДАНЕ.
Част от информацията за LRU и фрагменти от RF LRU системи, които се използват във фотонни и мюонни ускорители, е дадена в раздел 2.3 „МЮОННИ КОЛИДЕРИ“. и в раздел 3.4 „ФОТОННИ КОЛАЙДЕРИ“. Трябва да се отбележи обаче, че подробности за LRU, предназначени за мюонни колайдери, все още не са налични в публикуваната литература.
Предполага се, че читателят е запознат с теорията и технологията на резонансните линейни ускорители.
За по-лесно използване на книгата, глава 1 обсъжда накратко някои въпроси от теорията на колайдера, което ще направи възможно работата с книгата, без да се прибягва до други източници на информация, съдържащи се в множество монографии, статии и доклади, връзки към които са дадени на края на тази глава.

Фразата „Голям адронен колайдер“ е толкова дълбоко вкоренена в медиите, че огромен брой хора знаят за тази инсталация, включително тези, чиято дейност по никакъв начин не е свързана с физиката на елементарните частици или с науката като цяло.

Наистина, такъв мащабен и скъп проект не можеше да бъде пренебрегнат от медиите - пръстеновидна инсталация с дължина почти 27 километра, струваща десетки милиарди долари, с която работят няколко хиляди учени от цял ​​свят. Значителен принос за популярността на колайдера имаше така наречената „Божия частица“ или Хигс бозон, която беше успешно рекламирана и за която Питър Хигс получи Нобелова наградапо физика през 2013 г.

На първо място, трябва да се отбележи, че Големият адронен колайдер не е построен от нулата, а е възникнал на мястото на своя предшественик, Големия електрон-позитронен колайдер (LEP). Работата по 27-километровия тунел започва през 1983 г., където по-късно се планира да се разположи ускорител, който да сблъсква електрони и позитрони. През 1988 г. околовръстният тунел се затваря и работниците подхождат толкова внимателно към тунелирането, че разликата между двата края на тунела е само 1 сантиметър.

Ускорителят работи до края на 2000 г., когато достига пиковата си енергия от 209 GeV. След това започна демонтирането му. През единадесетте години на своята дейност LEP донесе редица открития във физиката, включително откриването на W и Z бозоните и тяхното по-нататъшно изследване. Въз основа на резултатите от тези изследвания се стигна до заключението, че механизмите на електромагнитните и слабите взаимодействия са сходни, в резултат на което започна теоретична работа за комбиниране на тези взаимодействия в електрослаби.

През 2001 г. на мястото на електрон-позитронния ускорител започва изграждането на Големия адронен колайдер. Изграждането на новия ускорител приключи в края на 2007 г. Намираше се на мястото на LEP - на границата между Франция и Швейцария, в долината на Женевското езеро (15 км от Женева), на дълбочина от сто метра. През август 2008 г. започнаха тестовете на колайдера, а на 10 септември се състоя официалното изстрелване на LHC. Както при предишния ускорител, изграждането и експлоатацията на инсталацията се ръководи от Европейска организацияза ядрени изследвания – CERN.

ЦЕРН

Струва си да споменем накратко за организацията CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Тази организация действа като най-голямата лаборатория в света в областта на физиката на високите енергии. Включва три хиляди постоянни служители и още няколко хиляди изследователи и учени от 80 страни участват в проекти на CERN.

На този моментВ проекта участват 22 страни: Белгия, Дания, Франция, Германия, Гърция, Италия, Холандия, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания - основатели, Австрия, Испания, Португалия, Финландия, Полша, Унгария, Чехия, Словакия, България и Румъния – присъединени. Въпреки това, както беше споменато по-горе, още няколко десетки държави участват по един или друг начин в работата на организацията, и по-специално в Големия адронен колайдер.

Как работи Големият адронен колайдер?

Какво представлява Големият адронен колайдер и как работи са основните въпроси от обществен интерес. Нека разгледаме тези въпроси по-нататък.

Collider – в превод от английски означава „този, който се сблъсква“. Целта на такава настройка е да се сблъскат частици. В случая на адронния колайдер частиците се играят от адрони - частици, участващи в силни взаимодействия. Това са протони.

Получаване на протони

Дългото пътуване на протоните се заражда в дуоплазматрона - първата степен на ускорителя, който получава водород под формата на газ. Дуоплазматронът е разрядна камера, в която електрическият разряд се провежда през газ. Така че водородът, състоящ се само от един електрон и един протон, губи своя електрон. По този начин се образува плазма - вещество, състоящо се от заредени частици - протони. Разбира се, трудно е да се получи чиста протонна плазма, така че получената плазма, която също включва облак от молекулярни йони и електрони, се филтрира, за да се изолира протонният облак. Под въздействието на магнити протонната плазма се избива в лъч.

Предварително ускоряване на частиците

Новообразуваният протонен лъч започва своето пътуване в линейния ускорител LINAC 2, който представлява 30-метров пръстен, последователно окачен с няколко кухи цилиндрични електрода (проводници). Електростатичното поле, създадено вътре в ускорителя, се градира по такъв начин, че частиците между кухите цилиндри винаги изпитват ускоряваща сила в посоката на следващия електрод. Без да навлизаме изцяло в механизма за ускоряване на протоните на този етап, отбелязваме само, че на изхода от LINAC 2 физиците получават лъч протони с енергия от 50 MeV, която вече достига 31% от скоростта на светлината. Трябва да се отбележи, че в този случай масата на частиците се увеличава с 5%.

До 2019-2020 г. се планира LINAC 2 да бъде заменен с LINAC 4, който ще ускорява протоните до 160 MeV.

Струва си да се отбележи, че колайдерът също ускорява оловни йони, което ще направи възможно изследването на кварк-глюонна плазма. Те се ускоряват в пръстена LINAC 3, подобно на LINAC 2. В бъдеще се планират и експерименти с аргон и ксенон.

След това протонните пакети влизат в протонния синхронен бустер (PSB). Състои се от четири насложени пръстена с диаметър 50 метра, в които са разположени електромагнитни резонатори. Електромагнитното поле, което те създават, има висок интензитет и частица, преминаваща през него, получава ускорение в резултат на потенциалната разлика в полето. Така след само 1,2 секунди частиците се ускоряват в PSB до 91% от скоростта на светлината и достигат енергия от 1,4 GeV, след което влизат в протонния синхротрон (PS). PS е с диаметър 628 метра и е оборудван с 27 магнита, които насочват лъча от частици в кръгова орбита. Тук протоните на частиците достигат 26 GeV.

Предпоследният пръстен за ускоряване на протоните е Super Proton Synchrotron (SPS), чиято обиколка достига 7 километра. Оборудван с 1317 магнита, SPS ускорява частиците до енергия от 450 GeV. След около 20 минути протонният лъч навлиза в главния пръстен – Големия адронен колайдер (LHC).

Ускорение и сблъсък на частици в LHC

Преходите между ускорителните пръстени се осъществяват чрез електромагнитни полета, създадени от мощни магнити. Основният пръстен на колайдера се състои от две успоредни линии, в които частиците се движат по кръгова орбита в обратна посока. Около 10 000 магнита отговарят за поддържането на кръговата траектория на частиците и насочването им към точките на сблъсък, като някои от тях тежат до 27 тона. За да се избегне прегряване на магнитите, се използва верига с хелий-4, през която протичат приблизително 96 тона от веществото при температура от -271,25 ° C (1,9 K). Протоните достигат енергия от 6,5 TeV (т.е. енергията на сблъсъка е 13 TeV), а скоростта им е с 11 km/h по-малка от скоростта на светлината. Така за секунда сноп от протони преминава през големия пръстен на колайдера 11 000 пъти. Преди частиците да се сблъскат, те ще циркулират около пръстена от 5 до 24 часа.

Сблъсъците на частици се случват в четири точки в главния LHC пръстен, където са разположени четири детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детектори за голям адронен колайдер

АТЛАС (тороидален LHC апарат)

— е един от двата детектора с общо предназначение в Големия адронен колайдер (LHC). Той изследва широк спектър от физика, от търсенето на Хигс бозона до частиците, които могат да изграждат тъмната материя. Въпреки че има същите научни цели като CMS експеримента, ATLAS използва различни технически решенияи друг дизайн на магнитната система.

Лъчите от частици от LHC се сблъскват в центъра на детектора ATLAS, създавайки насрещни отломки под формата на нови частици, които излитат от точката на сблъсък във всички посоки. Шест различни подсистеми за откриване, подредени на слоеве около точката на удара, записват пътя, импулса и енергията на частиците, което им позволява да бъдат индивидуално идентифицирани. Огромна система от магнити огъва пътищата на заредените частици, така че техните импулси да могат да бъдат измерени.

Взаимодействията в детектора ATLAS създават огромен поток от данни. За да обработи тези данни, ATLAS използва усъвършенствана "тригерна" система, за да каже на детектора кои събития да записва и кои да игнорира. След това се използват следните данни за анализ на записаните събития на сблъсък: сложни системисъбиране и изчисляване на данни.

Детекторът е висок 46 метра и широк 25 метра, а масата му е 7000 тона. Тези параметри правят ATLAS най-големият детектор на частици, създаван някога. Намира се в тунел на дълбочина 100 м близо до централната площадка на CERN, близо до село Мейрин в Швейцария. Инсталацията се състои от 4 основни компонента:

• Вътрешният детектор е с цилиндрична форма, вътрешният пръстен е разположен само на няколко сантиметра от оста на преминаващия лъч частици, а външният пръстен е с диаметър 2,1 метра и дължина 6,2 метра. Състои се от три различни системисензори, потопени в магнитно поле. Вътрешен детектор измерва посоката, импулса и заряда на електрически заредените частици, произведени при всеки сблъсък протон-протон. Основните елементи на вътрешния детектор са: Pixel Detector, Semi-Conductor Tracker (SCT) и Transition radiation tracker (TRT).

• Калориметрите измерват енергията, която една частица губи, докато преминава през детектор. Той абсорбира частици, възникващи по време на сблъсък, като по този начин записва тяхната енергия. Калориметрите се състоят от слоеве от "абсорбиращ" материал с висока плътност - олово - редуващи се със слоеве от "активна среда" - течен аргон. Електромагнитните калориметри измерват енергията на електроните и фотоните, докато взаимодействат с материята. Адронните калориметри измерват енергията на адроните, когато взаимодействат с атомните ядра. Калориметрите могат да спират повечето известни частици, с изключение на мюони и неутрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - калориметър ATLAS

• Мюонен спектрометър - състои се от 4000 отделни мюонни камери, използващи четири различни технологии за идентифициране на мюони и измерване на импулсите им. Мюоните обикновено преминават през вътрешен детектор и калориметър, което изисква мюонен спектрометър.

• Магнитната система на ATLAS огъва частиците около различни слоеве от детекторни системи, което улеснява проследяването на следи от частици.

В експеримента ATLAS (февруари 2012 г.) участват повече от 3000 учени от 174 институции в 38 държави.

CMS (компактен мюонен соленоид)

— е детектор с общо предназначение в Големия адронен колайдер (LHC). Подобно на ATLAS, той има широка програма по физика, варираща от изучаване на стандартния модел (включително бозона на Хигс) до търсене на частици, които могат да изграждат тъмната материя. Въпреки че има същите научни цели като експеримента ATLAS, CMS използва различни технически решения и различен дизайн на магнитната система.

CMS детекторът е изграден около огромен соленоиден магнит. Това е цилиндрична намотка от свръхпроводящ кабел, която генерира поле от 4 тесла, приблизително 100 000 пъти повече от магнитното поле на Земята. Полето е ограничено от стоманен „ярем“, който е най-масивният компонент на детектора, тежащ 14 000 тона. Целият детектор е с дължина 21 м, ширина 15 м и височина 15 м. Инсталацията се състои от 4 основни компонента:

• Соленоидният магнит е най-големият магнит в света и служи за огъване на траекторията на заредените частици, излъчени от точката на удара. Изкривяването на траекторията позволява да се прави разлика между положително и отрицателно заредени частици (тъй като те се огъват в противоположни посоки), както и да се измерва импулсът, чиято величина зависи от кривината на траекторията. Огромният размер на соленоида позволява тракерът и калориметрите да бъдат разположени вътре в бобината.
• Silicon Tracker - Състои се от 75 милиона отделни електронни сензора, подредени в концентрични слоеве. Когато заредена частица лети през слоевете на тракера, тя прехвърля част от енергията към всеки слой; комбинирането на тези точки на сблъсък на частицата с различни слоеве ни позволява да определим допълнително нейната траектория.
• Калориметри – електронни и адронни, вижте калориметри ATLAS.
• Поддетектори - позволяват ви да откривате мюони. Те са представени от 1400 мюонни камери, които са разположени на слоеве извън намотката, редуващи се с метални пластини на „игото“.

Експериментът CMS е един от най-големите международни научно изследванепо история, с 4300 участници: физици на елементарните частици, инженери и техници, студенти и помощен персонал от 182 институции, 42 държави (февруари 2014 г.).

ALICE (Експеримент с голям йонен колайдер)

— е детектор на тежки йони върху пръстените на Големия адронен колайдер (LHC). Той е предназначен да изучава физиката на силно взаимодействаща материя при екстремни енергийни плътности, където се образува фаза на материята, наречена кварк-глуонна плазма.

Цялата обикновена материя в днешната вселена е изградена от атоми. Всеки атом съдържа ядро ​​от протони и неутрони (с изключение на водорода, който няма неутрони), заобиколен от облак от електрони. Протоните и неутроните от своя страна са направени от кварки, свързани заедно с други частици, наречени глуони. Нито един кварк никога не е бил наблюдаван изолирано: кварките, както и глуоните, изглежда са трайно свързани заедно и затворени в рамките на съставни частици като протони и неутрони. Това се нарича задържане.

Сблъсъците в LHC създават температури повече от 100 000 пъти по-високи от тези в центъра на Слънцето. Колайдерът позволява сблъсъци между оловни йони, пресъздавайки условия, подобни на тези, възникнали непосредствено след Големия взрив. При тези екстремни условия протоните и неутроните се „топят“, освобождавайки кварките от техните връзки с глуони. Това е кварк-глуонна плазма.

Експериментът ALICE използва детектор ALICE, който тежи 10 000 тона, е дълъг 26 m, висок 16 m и широк 16 m. Устройството се състои от три основни комплекта компоненти: проследяващи устройства, калориметри и детектори за идентифициране на частици. Той също е разделен на 18 модула. Детекторът се намира в тунел на дълбочина 56 м по-долу, близо до село Saint-Denis-Pouilly във Франция.

Експериментът включва повече от 1000 учени от повече от 100 института по физика в 30 страни.

LHCb (експеримент за красота на Големия адронен колайдер)

– Експериментът изследва малките разлики между материята и антиматерията чрез изучаване на вид частица, наречена красив кварк или b кварк.

Вместо да обгражда цялата точка на сблъсък със затворен детектор, като ATLAS и CMS, експериментът LHCb използва серия от поддетектори за откриване предимно на предни частици - тези, които са били насочени напред от сблъсък в една посока. Първият поддетектор се монтира близо до точката на сблъсък, а останалите се монтират един след друг на разстояние 20 метра.

LHC създава голямо изобилие от различни видове кварки, преди те бързо да се разпаднат в други форми. За улавяне на b-кварки бяха разработени сложни движещи се проследяващи детектори за LHCb, разположени близо до движението на лъча от частици през колайдера.

Детекторът LHCb от 5600 тона се състои от директен спектрометър и детектори с плоска плоча. Тя е с дължина 21 метра, височина 10 метра и ширина 13 метра и се намира на 100 метра под земята. Около 700 учени от 66 различни института и университета са включени в експеримента LHCb (октомври 2013 г.).

Други експерименти в колайдера

В допълнение към горните експерименти в Големия адронен колайдер има два други експеримента с инсталации:

• LHCf (Голям адронен колайдер напред)— изучава частици, изхвърлени напред след сблъсък на лъчи от частици. Те симулират космически лъчи, които учените изучават като част от експеримента. Космическите лъчи са естествено срещащи се заредени частици от космоса, които непрекъснато бомбардират земната атмосфера. Те се сблъскват с ядра в горните слоеве на атмосферата, причинявайки каскада от частици, които достигат нивото на земята. Изучаването как сблъсъците в LHC произвеждат такива каскади от частици ще помогне на физиците да интерпретират и калибрират широкомащабни експерименти с космически лъчи, които могат да обхванат хиляди километри.

LHCf се състои от два детектора, които са разположени по дължината на LHC, на 140 метра от двете страни на точката на удар на ATLAS. Всеки от двата детектора тежи само 40 килограма и е с размери 30 см дължина, 80 см височина и 10 см ширина. В експеримента LHCf участват 30 учени от 9 института в 5 страни (ноември 2012 г.).

• ТОТЕМ (общо напречно сечение, еластично разсейване и дифракционна дисоциация)- експеримент с най-дългата инсталация на колайдера. Неговата мисия е да изследва самите протони чрез прецизно измерване на протони, произведени при сблъсъци под малък ъгъл. Този регион е известен като посоката "напред" и не е достъпен за други LHC експерименти. Детекторите TOTEM се простират на почти половин километър около точката на взаимодействие на CMS. TOTEM разполага с почти 3000 кг оборудване, включително четири ядрени телескопа, както и 26 детектора за римски съдове. Последният тип позволява детекторите да бъдат разположени възможно най-близо до лъча от частици. Експериментът TOTEM включва приблизително 100 учени от 16 института в 8 страни (август 2014 г.).

Защо е необходим Големият адронен колайдер?

Най-голямата международна научна инсталация изследва широк спектър от физически проблеми:

• Изследване на топ кварки. Тази частица е не само най-тежкият кварк, но и най-тежката елементарна частица. Изучаването на свойствата на горния кварк също има смисъл, защото е изследователски инструмент.
• Търсене и изследване на Хигс бозона. Въпреки че ЦЕРН твърди, че бозонът на Хигс вече е открит (през 2012 г.), много малко се знае за неговата природа и по-нататъшни изследвания биха могли да донесат по-голяма яснота за механизма на действието му.

• Изследване на кварк-глюонна плазма. Когато оловните ядра се сблъскват при високи скорости, в колайдера се образува . Нейните изследвания могат да донесат резултати, полезни както за ядрената физика (подобряване на теорията за силните взаимодействия), така и за астрофизиката (изучаване на Вселената в нейните първи моменти на съществуване).
• Търсене на суперсиметрия. Това изследване има за цел да опровергае или докаже „суперсиметрията“, теорията, че всяка елементарна частица има по-тежък партньор, наречен „суперчастица“.
• Изследване на фотон-фотонни и фотон-адронни сблъсъци. Това ще подобри разбирането на механизмите на процесите на такива сблъсъци.
• Тестване на екзотични теории. Тази категория задачи включва най-нетрадиционните - „екзотични“, например търсенето на паралелни вселени чрез създаване на мини-черни дупки.

В допълнение към тези задачи има много други, чието решение също ще позволи на човечеството да разбере природата и света около нас на по-добро ниво, което от своя страна ще отвори възможности за създаване на нови технологии.

Практически ползи от Големия адронен колайдер и фундаментална наука

На първо място, трябва да се отбележи, че фундаменталните изследвания допринасят за фундаменталната наука. Приложната наука се занимава с приложението на тези знания. Част от обществото, която не е наясно с предимствата на фундаменталната наука, често не възприема откриването на бозона на Хигс или създаването на кварк-глуонна плазма като нещо значимо. Връзката на подобни изследвания с живота на обикновен човек не е очевидна. Нека да разгледаме кратък пример с ядрената енергия:

През 1896 г. френският физик Антоан Анри Бекерел открива явлението радиоактивност. Дълго време се смяташе, че човечеството няма да премине скоро към индустриалната му употреба. Само пет години преди пускането на първия ядрен реактор в историята, великият физик Ърнест Ръдърфорд, който всъщност открива атомното ядро ​​през 1911 г., каза, че атомната енергия никога няма да намери своето приложение. Експертите успяват да преосмислят отношението си към енергията, съдържаща се в ядрото на атома през 1939 г., когато немските учени Лизе Майтнер и Ото Хан откриват, че ядрата на урана, когато са облъчени с неутрони, се разделят на две части, освобождавайки огромно количество енергия - ядрена енергия.

И то само след тази последна връзка от поредицата фундаментални изследванияПриложната наука влезе в действие и въз основа на тези открития изобрети устройство за производство на ядрена енергия - атомен реактор. Мащабът на откритието може да се оцени, като се погледне делът на електроенергията, генерирана от ядрени реактори. Така в Украйна например атомните електроцентрали осигуряват 56% от производството на електроенергия, а във Франция – 76%.

Всички нови технологии се основават на определени фундаментални знания. Ето още няколко кратки примера:

• През 1895 г. Вилхелм Конрад Рьонтген забелязва, че под влияние рентгеново лъчениефотографската плака потъмнява. Днес рентгенографията е едно от най-използваните изследвания в медицината, което позволява да се изследва състоянието на вътрешните органи и да се открият инфекции и отоци.
• През 1915 г. Алберт Айнщайн предлага своя собствена. Днес тази теория се взема предвид при работа с GPS сателити, които определят местоположението на обект с точност до няколко метра. GPS се използва в клетъчните комуникации, картографията, мониторинга на транспорта, но предимно в навигацията. Грешката на сателит, който не отчита общата теория на относителността, ще нараства с 10 километра на ден от момента на изстрелването! И ако един пешеходец може да използва ума си и хартиена карта, тогава пилотите на авиокомпаниите ще се окажат в трудна ситуация, тъй като е невъзможно да се ориентират в облаци.

Ако днес все още не е намерено практическо приложение за откритията, направени в LHC, това не означава, че учените „бърникат в колайдера напразно“. Както знаете, разумният човек винаги се стреми да получи максимума практическо приложениеот съществуващите знания и следователно знанията за природата, натрупани в процеса на изследване в LHC, определено ще намерят своето приложение, рано или късно. Както вече беше показано по-горе, връзката между фундаменталните открития и технологиите, които ги използват, понякога може да не е очевидна.

Накрая да отбележим т. нар. косвени открития, които не са поставени като първоначални цели на изследването. Те се срещат доста често, тъй като извършването на фундаментално откритие обикновено изисква въвеждането и използването на нови технологии. Така развитието на оптиката получи тласък от фундаменталните космически изследвания, базирани на наблюдения на астрономи през телескоп. В случая с CERN, така се появи една вездесъща технология: Интернет, проект, предложен от Тим ​​Бърнърс-Лий през 1989 г., за да направи данните на организацията CERN по-лесни за намиране.