Большой адронный коллайдер - слово, которое на слуху, пожалуй, у всех, ну или почти у всех. Все о нем говорят, везде его показывают, но мало кто знает, что это за такая штуковина, которая стоит несколько миллиардов долларов и которая пока по каким-то причинам не работает. Поэтому и начну-ка я с того, как он должен работать?

Как работает Большой адронный коллайдер?

Большой андронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (далее, кратко, и главное очень по-научному БАК) – это самый большой и самый мощный ускоритель частиц на планете и последнее звено в цепи ускорителей CERN. Он представляет собой кольцо диаметром 27 км., состоящее из сверхпроводящих магнитов и структур-ускорителей. Пучки частиц движутся в противоположных направлениях в изолированных трубах, находящихся в сверхвысоком вакууме.

По мере движения в коллайдере они наращивают свою энергию и скорость, и когда последняя достигает значения скорости света, происходит столкновение. В течение всего пути их направляет мощное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящими электромагнитами. Они же в свою очередь состоят из катушек специального электрического кабеля, функционирующего как сверхпроводник, т.е. проводящего электрическую энергию без сопротивления и потерь. Для этого магниты должны быть охлаждены до -271°C, что, кстати, ниже температуры в открытом Космосе. Это и есть причина по которой большая часть ускорителя связана с системой распределения жидкого гелия, который охлаждает как сами магниты, так и другие вспомогательные системы.

Тысячи магнитов разных типов и размеров используются для управления пучками частиц в ускорителе. Среди них выделяют главные магниты, из которых 1234 (как нарочно придумали:) биполярные длиной по 15 метров, применяемые для изменения траектории движения частиц, и 392 четырёхполюсных (от 5 до 7 метров в длину) служащих для концентрации (или сжатия) этих же пучков. Перед столкновением задействуется еще один тип магнитов, с целью “склеить” частицы одни с другими, чтобы увеличить вероятность столкновения с «коллегами», движущимися в противоположном направлении. Ведь эти частицы настолько малы, что вероятность их столкновения равносильна тому, как если бы вы бросали друг в друга две иголки, находясь на расстоянии в 10 км.

Все системы контроля над ускорителем и его технической инфраструктурой сосредоточены в Контрольном центре CERN. Именно из этого центра будет приведен в действие процесс столкновения частиц, и именно сюда будет поступать вся информация с детекторов.

Для чего нужен Большой адронный коллайдер?

Считаю, что вопрос вполне уместный. Наверняка, внушительный бюджет БАКа должен быть обоснован не менее внушительными целями.

Итак, использование установки предусматривает проведение 6 крупных исследовательских проектов. Все они являются областью работы ученых, представляющих научно-исследовательские институты по всему миру. Каждый проект не похож на остальные и использует собственный детектор частиц.

Два наиболее крупных проекта под кодовыми названиями ATLAS и CMS имеют в распоряжении 2 поливалентных детектора, предназначенные для анализа несметного числа частиц, которые образуются во время столкновения в ускорителе, что таким образом позволит изучить самые различные аспекты физики. Благодаря двум детекторам, разработанным независимо друг от друга, полученная информация, в случае открытия, сможет быть сравнена и проверена.

Коллайдер - CMS

Проект ATLAS направлен на изучение широкого спектра областей физики от исследования бозона Хиггза до частиц других размеров, а также поиск тех частиц, которые могли бы образовывать темную материю.

Коллайдер - Atlas

Два проекта среднего масштаба, ALICE и LHCb, обеспечиваются также собственными детекторами и будут анализировать специфические явления во время столкновений в Большом адронном коллайдере.

В рамках проекта ALICE, в коллайдере столкнутся ионы свинца, чтобы создать в лаборатории условия, подобные которым существовали сразу после Большого Взрыва. Полученные данные позволят изучать эволюцию материи с момента зарождения Вселенной до наших дней.

Сегодня любая материя во Вселенной представлена атомами. Каждый атом имеет ядро, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов, окруженных облаком электронов. Сами протоны и нейтроны состоят из кварков. Кварки – это основные частицы любой материи. Их всегда находят группами по три, четыре, либо парами кварк-антикварк, связанными другими частицами, называемыми глюоны. Ввиду того, что это соединение неимоверно прочное, ни один кварк доныне не был изучен изолированно.

Столкновения, которые произойдут в БАКе, вызовут температуру в 100 000 раз превышающую температуру, царящую в центре Солнца. Ученые-физики надеятся что при такой температуре протоны и нейтроны «расплавятся», высвободив кварки от влияния глюонов. Они предполагают, что подобное состояние существовало сразу после Большого Взрыва, когда Вселенная была так же раскалена. Частицы, из которых состоит сегодня наша Вселенная, протоны и нейтроны, вероятно сформировались в этой плазме.

Последние два опыта, гораздо более скромного масштаба, TOTEM и LHCf подвергнут анализу адроны, высвобождающиеся в момент лобового столкновения. Далеко не все частицы, двигаясь в противоположных направлениях, ударяются друг о друга. Их лишь малая доля. Некоторые едва лишь касаются друг друга, в то время как большая часть, не встретив препятствий на своем пути, продолжают свободное движение. Объектом исследования TOTEM и LHCf становится вторая группа частиц, то есть те которые слегка задевают другие, и в силу этого минимально отклоняются от траектории пучка. Так же в рамках проекта ТОТЕМ будет произведено перевычисление размеров протонов.

Использование частиц в проекте LHCf направлено на искусственное создание космических лучей в условиях лаборатории. Космические лучи – это заряженные частицы межзвездного пространства, которые беспрестанно бомбардируют верхние слои атмосферы Земли.

Большой адронный коллайдер в цифрах

Самый большой механизм когда-либо созданный человеком

Точная длина окружности туннеля коллайдера 26 659 метров;

Общее количество магнитов: 9300;

БАК это не только самый большой ускоритель частиц, но даже 1/8 его системы охлаждения хватило бы чтобы сравнятся по показателям с самой большой холодильной установкой существующей сегодня в мире.

Все магниты предварительно охлаждаются до -193,2°C при помощи 10 080 тонн жидкого азота, а лишь затем заполняются 60 тоннами жидкого гелия, который доведет температуру до требуемой -271,3°C.

Самая высокая скорость на планете

При работе БАКа на пределе мощностей триллионы протонов, двигаясь на скорости, равной 99,99% скорости света, будут проходить по кольцу 11 245 раз в секунду!

Два пучка частиц будут циркулировать в установке с напряжением 7 ТэВ (тераэлектронвольт), что позволит осуществлять лобовые столкновения в 14 ТэВ. Таким образом, получаем 600 миллионов столкновений в секунду.

Самый глубокий вакуум в солнечной системе

Для того, чтобы избежать столкновений с молекулами газа в ускорителе, пучки частиц движутся в полости абсолютно лишенной воздуха, что в науке называется сверхвакуумом. Внутреннее давление в БАКе составляет 10-13 atm, что в 10 раз меньше, чем давление на поверхности Луны.

Самое жаркое место в галактике в кольце, более холодном, чем межзвездное пространство

БАК – это механизм экстремальных температур. В момент когда пучки протонов сталкиваются, в ничтожно малом пространстве, они создают температуру, которая в 100 000 раз превосходит температуру, царящую в центре Солнца. В противовес ей, система распределения охлаждения, которая питает кольцо ускорителя сверхтекучим гелием, поддерживает в БАКе температуру на уровне -271,3°C, что ниже температуры в межзвездном пространстве.

Самые большие и производительные детекторы за всю историю науки

Чтобы проводить выборку и сохранение самых интересных данных среди миллионов столкновений, физики и инженеры создали гигантские устройства, которые способны измерять следы частиц с точностью до микрона. Детекторы БАКа, такие как ATLAS или CMS снабжены электронными системами включения, которые смогут зафиксировать время прохождения частицей участка с точностью до 1 миллиардной секунды. Благодаря данной системе включения точность определения положения частиц в пространстве составит 1 миллионную метра.

Самый мощный компьютер в мире

Для сохранения данных каждого проекта БАКа могло бы потребоваться около 100 000 двухслойных дисков DVD ежегодно. Чтобы позволить 7000 физиков во всем мире участвовать в анализе данных в течение последующих 15 лет (именно столько составляет срок эксплуатации БАКа), будут использоваться десятки тысяч компьютеров, расположенные по всей планете в рамках специальной информационной сети Грид.

Так почему же он не работает?

19 сентября. Франко-швейцарская граница. Большой адронный коллайдер выходит из строя на несколько месяцев. Cern (Европейская организация по атомной энергии) подтверждает его повторный запуск летом 2009 года и публикует фотографии повреждений, вызвавших временную остановку механизма.

Как оказалось остановка БАКа была вызвана неисправным электрическим соединением между двумя магнитами ускорителя, что повлекло механические поломки и утечку гелия в туннеле. Скрупулезно все изучив, инженеры проекта, гарантируют, что данный инцидент впредь не повторится.

Текущий календарь работ предусматривает переустановку второго поврежденного магнита до конца марта. Обещают, что БАК будет готов к испытаниям в конце июня 2009. Ну что ж, посмотрим!

Приглашаем Вас посмотреть галерею фотографий Большого адронного коллайдера

Нравится эта статья? Подпишитесь на RSS-ленту и получите еще больше классной информации!