Большой адронный коллайдер 3

Содержание
  1. Большой адронный коллайдер (БАК) – что это такое?
  2. Предназначение
  3. Исследование топ-кварков
  4. Исследование электрослабой симметрии
  5. Исследование кварк-глюонной плазмы
  6. Исследование фотонных взаимодействий
  7. Как устроен БАК
  8. Детекторы
  9. Как работает БАК
  10. Каковы научные достижения БАК
  11. Способен ли БАК разрушить планету
  12. Планы на будущее
  13. Краткая история ускорителей
  14. Первые эксперименты
  15. Циклотроны
  16. Синхрофазотроны
  17. Коллайдеры
  18. Пять загадок, которые должен разгадать Большой адронный коллайдер (3 фото)
  19. Понимание темной материи
  20. Как насчет антиматерии?
  21. Изучение гравитации и дополнительных измерений пространства-времени
  22. Создание черных дыр
  23. Существуют ли страпельки?
  24. Как работает Большой адронный коллайдер?
  25. Большой Адронный Коллайдер своими глазами. Часть 3
  26. 12 фактов об адронном коллайдере
  27. Большой адронный коллайдер впервые получил чармоний со спином 3

Большой адронный коллайдер (БАК) – что это такое?

Большой адронный коллайдер 3

Большой адронный коллайдер (сокр. БАК, англ. LHC) – это самый большой и мощный ускоритель частиц в мире, расположенный на франко-швейцарской границе около города Женева.

Он предназначен для ускорения и столкновения встречных пучков протонов и тяжелых ионов (ионов свинца). БАК создан при Европейском совете ядерных исследований ЦЕНР.

В его строительстве и обслуживании, участвовало более 10 тыс инженеров и ученых из более чем 100 стран мира. Стоимость проекта оценивается в 10 млрд. долларов.

Коллайдер по сути является замкнутой туннельной системой, расположенной под земной поверхностью на глубине до 180 м. Название «коллайдер» уместно перевести на русский как «устройство для сталкивания».

А сталкивает он адроны (класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию). Отсюда и название «адронный коллайдер».

Приставку «большой» он получил за свои внушительные размеры, длина основного туннеля БАК составляет 26,7 км.

По большей части эксперименты проводятся с протонами. Протон – элементарная частица, составляющая часть атома, ее отличительное свойство – наличие положительного заряда.

БАК разгоняет потоки протонов внутри подземного туннеля до более 99,9% скорости света, направляя их навстречу друг другу.

При столкновении на такой скорости моделируются условия, сходные с состоянием нашей Вселенной на ранних стадиях ее существования.

Каково происхождение протонов для экспериментов в БАК?
Их получают методом ионизации атома водорода. Как известно, в его составе имеется 1 протон и 1 электрон. Ионизация помогает избавиться от электрона, и сохранить необходимый для научных опытов протон.

Предназначение

Большой адронный коллайдер помогает исследовать сами элементарные частицы и особенности процессов их взаимодействия.

БАК уже принес науке немало бесценных сведений в области квантовой физики, и ученым не терпится получить больше информации о том, как устроены наше пространство и время.

Процессы, уловленные детекторами БАК во время столкновения протонов, дают исследователям возможность прийти к лучшему пониманию того, что представляла собой Вселенная в продолжение первых мгновений после Большого взрыва.

Как известно, к началу 1970-х физики разработали так называемую Стандартную модель (СМ), в которой объединились 3 из 4 фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного):

— сильное;

— слабое;

— электромагнитное.

Однако СМ невозможно принять исчерпывающей теорией элементарных частиц. Предположительно, она – не более чем фрагмент более масштабной теоретической картины устройства микромира. Основополагающая цель создание Большого адронного коллайдера – приблизиться к пониманию сущности новой теории (поиск новой физики).

В наше время наука применяет различные способы объединения фундаментальных взаимодействий:

— теория струн;

— теории супергравитации;

— петлевая квантовая гравитация и пр.

Не все они являются совершенными, и ни одна из них не была подтверждена экспериментальным методом. Препятствие заключается в недостатке энергии, доступной ученым на современных устройствах для ускорения частиц.

БАК — самая большая экспериментальная установка

Большой адронный коллайдер дал науке возможность реализовать эксперименты с недоступной прежде энергией, и по-видимому, это позволит оценить корректность некоторых из вышеупомянутых теоретических подходов.

В частности, имеется большое число теоретических систем, допускающих наличие такого явления, как суперсимметрия – в частности, теория струн (она же теория суперструн), которая в случае доказанного отсутствия суперсимметрии утратит свой логический смысл.

Соответственно, если будет получено доказательство существования суперсимметрии, то это станет и косвенным аргументом в подтверждение правоты данных теорий.

Исследование топ-кварков

Эти частицы – наиболее тяжелые не только из кварков, но также из всех известных науке элементарных частиц. Их масса слишком велика для того, чтобы топ-кварки можно было изучать на большинстве ускорителей.

Помимо прямого научного интереса, данные частицы используются как средство для исследований бозона Хиггса. Бозоны появляются на свет в БАК совместно с парой топ-кварк/антикварк.

Поэтому следует лучше представлять свойства кварков, чтобы выделять из их среды бозоны.

Исследование электрослабой симметрии

Среди основных задач БАК, помимо подтверждения существования бозона Хиггса, следует отметить то, каким образом данная нестабильная частица оказывает влияние на симметрию электрослабого взаимодействия. Бозон, как известно, — квант такого физического явления, как поле Хиггса. Преодолевающее эту среду элементарные частицы сталкиваются с сопротивлением, что физика осознает как поправки к массе.

Исследование кварк-глюонной плазмы

Помимо прочих экспериментов, в БАК проводятся опыты со столкновением ядер атомов свинца. В процессе неупругого контакта пары таких ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткий срок появляется и исчезает сгусток ядерного в-ва высокой плотности и температуры.

Изучение характерных для этого процессов (преобразование в-ва в кварк-глюонную плазму) необходимо для выстраивания более корректной теоретической модели сильных ядерных взаимодействий, которая позволит добиться существенного прогресса как собственно в физической науке, так и в понимании астрономических процессов.

Исследование фотонных взаимодействий

ЭМ взаимодействие понимается как обмен фотонами. Проще говоря, фотоны считаются носителями ЭМ поля. Протоны же обладают электрическим зарядом и электростатическим полем, которое допустимо считать совокупностью виртуальных фотонов.

Когда протоны приходят в столкновение, окружающие их фотоны вступают во взаимодействие. Тем самым, изучая процесс столкновения протонов, физики занимаются исследованием поведения фотонов высокой энергии.

Помимо этого, имеет место особая разновидность реакций – прямое взаимодействие пары фотонов.

Как устроен БАК

Коллайдер состоит из 3 базовых структур;

— ускоритель элементарных частиц. Он позволяет разогнать и столкнуть адроны (тяжелые элементарные частицы из кварков), используя электрические магниты огромной мощности, которые распределены параллельно всей протяженности подземного туннеля;

— детекторы. Процесс, а также итоги взаимодействия ускоренных магнитами протонов невозможно наблюдать непосредственно в туннеле, по этой причине особые устройства-детекторы собирают максимально возможный объем информации с целью дальнейшей ее обработки;

— грид. Детекторы набирают петабайты экспериментальных данных. Для того, чтобы корректно обработать столь внушительный массив информации, применяют грид-систему – компьютерную сеть, расположенную в 36 государствах, она формирует своего рода единый супер-компьютер. Но даже он способен интерпретировать приблизительно 1% параметров реакции в БАК.

Вид на CMS — один из детекторов БАК

Детекторы

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, ALICE, CMS, LHCb — это большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf являются вспомогательными, находятся в нескольких десятках метров от точек столкновения и используются параллельно с основными.

ATLAS и CMS участвовали в поиске бозона Хиггса, а также тёмной материи. Детектор ALICE — изучает кварк-глюонную плазму при столкновении тяжёлых ионов свинца. LHCb — исследует физику b-кварков, для лучшего понимания различия между антиматерией и материей.

TOTEM — изучает рассеивание частиц на малые углы (а также ведет анализ не столкнувшихся частиц). LHCf — исследует космические лучи, которые моделируются теми же не сталкивающимися частицами.

MoEDAL — нацелен на поиск медленно движущихся тяжёлых частиц

Как работает БАК

Комплекс ускорителей в ЦЕРНе (CERN-GRAPHICS-2019-002-1)

В туннеле коллайдера частицы разгоняют почти до скорости света, при этом увеличивая их массу в несколько тысяч раз. Весь процесс можно разделить на 5 ключевых этапов:

  1. Сначала атомы водорода поступают в начальную камеру линейного ускорителя (Linac 2), где от них отделяют электроны. Это нужно для того, чтобы у них был положительный заряд и их можно было ускорять с помощью электрического поля.
  2. Проходя линейный ускоритель, пучок протонов достигает 1/3 скорости света и попадает в бустер (PS buster) с длинной пути 157 метров. Там он делится на четыре меньших пучка, каждый из которых разгоняется в отдельном кольце бустера (для максимального повышения плотности потока частиц). С помощью пульсирующего электрического поля происходит ускорение частиц, в то время как магнитное поле способствует их движению по кругу. Бустер разгоняет частицы до 91,6% скорости света и делает пучки протонов плотными.
  3. На выходе из бустера частицы собираются воедино и поступают в кольцо протонного синхротрона (PS) с длинной 628 метров. Циркулируя по кругу в течение 1,2 секунды, они достигают более чем 99,9% скорости света. Стоит отметить, что на этом этапе достигается предел скорости, когда пульсирующее электрическое поле больше не может ускорять частицы. Однако вместо этого прикладываемая энергия увеличивает массу протонов. Таким образом, протонный синхротрон увеличивает кинетическую энергию частиц до 28 ГэВ (частицы становятся в 28 раз тяжелее, чем были).
  4. Затем пучок поступает в протонный суперсинхротрон (SPS) — огромное 7-ми километровое кольцо — «разгон» в котором дает частицам энергию порядка 450 ГэВ. Это последняя подготовительная ступень разгона перед перемещением в основное кольцо Большого адронного коллайдера.
  5. Основное кольцо БАК, длинна которого составляет 26659 метров, состоит из двух вакуумных трубок, в которых протонные пучки движутся в противоположных направлениях. Эти трубки пересекаются в четырех точках, где размещены детекторы. Там и происходит столкновение частиц и сбор данных. Однако перед встречным столкновением, основное кольцо БАК увеличивает их кинетическую энергию до 7 ТэВ (делая частицы в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя).

Интересные факты:
Всего за 1 секунду частицы пролетают всю протяженность основного туннеля более 11000 раз (т.е на 1 цикл уходит не более, чем 0,0001 с). За ту же секунду в БАК происходит около 1 миллиарда столкновений, каждое их которых генерирует 1,5 мегабайта данных.

Каковы научные достижения БАК

Поскольку БАК располагает большей энергией в сравнении с коллайдерами ранних версий, он дал ученым возможность исследовать неизведанную до того область энергий и обрести научные данные, которые помогают уточнить некоторые теоретические построения.

Сегодня к наиболее заметным научным «прорывом», достигнутым при помощи коллайдера, относят открытие бозона Хиггса.

Уже сейчас его многие называют одним из наиболее громких открытий XXI столетия, поскольку бозон Хиггса помогает объяснить наличие массы частиц в нашем пространстве.

Следовательно, тем самым получено подтверждение Стандартной модели, на основе каковой в наше время физика моделирует поведение и реакции элементарных частиц. И как раз это их взаимодействие является фундаментом, на котором построено все наше мироздание.

Сущность действия бозона Хиггса заключается в том, что он участвует в формировании массы и обмене ею среди прочих элементарных частиц. Однако это крайне упрощенное изложение функций бозона, и всем заинтересовавшимся этой частицей рекомендуем изучить соответствующие научные публикации.

Прочие научные результаты БАК:

— проведены исследования базовых статистических параметров столкновений протонов, оценка числа рожденных адронов, корреляции мезонов;

— продемонстрировано, что не существует асимметрия протонов и антипротонов;

— наблюдались необычные корреляции протонов, летящих по весьма различным траекториям;

— уточнены параметры возможных контактных взаимодействий кварков;

— зафиксированы существенные признаки образования кварк-глюонной плазмы и т.д.

Способен ли БАК разрушить планету

С первых дней своей постройки адронный коллайдер вызывал всевозможные спекулятивные опасения и фантазии. В частности, в интернете прошел слух, что вследствие экспериментальной работы БАК способен создать черную дыру, и та проглотит Землю.

Те самые две трубки, по которым частицы движутся в противоположных направлениях

Разумеется, эти опасения имеют под собой определенную основу, однако:

— в случае, если теоретически БАК сформировал бы черную дыру, то ее размеры оказались бы микроскопическими. И есть предположение, что чем они миниатюрнее, тем быстрее такой объект аннигилируется, превращаясь в энергию, не успев нанести ни малейшего ущерба. Но здесь нельзя утверждать ничего наверняка, потому что все это основано на гипотезах и теориях.

С другой стороны, возможно, при столкновении в БАК недостаточно кинетической энергии, чтобы выполнилось условие R=2GM/c2 (гравитационный радиус), необходимое для образования черной дыры.

Планы на будущее

По мере того, как Большой адронный коллайдер приступит к работе на полной мощности и светимости (2021 — 2023 гг.), его разработчики планируют остановку на 2,5 года для модернизации детекторов и ускорителей (проект HL-LHC).

Тем самым будет усилена светимость БАК и обеспечена возможность проведения опытов с еще большей энергией.

Ученые также намерены организовать опыты путем столкновения протонов и электронов, что потребует дополнительного оборудования для разгона элементарных частиц.

Кроме того, в планах ЦЕРНа есть куда более амбициозный международный проект, создание коллайдера с 100 км. кольцом. Текущее название проекта Future Circular Collider (FCC, «Будущий циклический коллайдер»).

Источник: https://sci-news.ru/2020/the-large-hadron-collider/

Краткая история ускорителей

Большой адронный коллайдер 3

Принцип работы всех ускорителей прост — заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.

Первые эксперименты

Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились вообще без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ.

В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике.

Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Циклотроны

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле.

В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность.

Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории.

При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц.

Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит.

Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году.

Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает.

Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.

Синхрофазотроны

Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем.

Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.

В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки.

Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка.

Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов.

В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Коллайдеры

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом.

Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K.

O'Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K. H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков.

Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц.

По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождение новых частиц. В первом случае это примерно , а во втором случае 2E.

Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ (см. раздел об LHC на «Элементах»). Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц.

Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения.

В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет.

Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.

Далее: Как работает ускоритель

Источник: https://elementy.ru/posters/collider/3

Пять загадок, которые должен разгадать Большой адронный коллайдер (3 фото)

Большой адронный коллайдер 3

Если что, бозон Хиггса остался в 2012 году. Самый мощный ускоритель частиц в мире начнет работать очень скоро, и ему предстоит заняться поиском ответов на другие вопросы — от «вимпов» до «страпелек». Дополнительная мощность, которой обзавелся Большой адронный коллайдер за время перерыва, может открыть двери в неисследованные миры науки частиц.

Большой адронный коллайдер, или БАК, начнет работать уже в этом месяце после двухлетнего перерыва и обновления. Столкновения атомов будут происходить с удвоенной силой. Более высокие энергии откроют путь ученым к доселе невиданным частицам, возможно.

«Для БАК начинается невероятная фаза поиска физики за пределами известной нам», — говорит научный исследователь детектора ATLAS Мартин Севьор из Мельбурнского университета.

Перезапуск последовал за насыщенной трехлетней исследовательской программой, кульминацией которой стало обнаружение неуловимого бозона Хиггса, частицы, ответственной за производство поля Хиггса, наделяющего элементарные частицы массой.

«Мы ожидали найти бозон Хиггса, потому что Стандартная модель физики элементарных частиц очень хороша, и было бы странно, если бы мы не нашли его. Теперь мы отправляемся на более высокие энергетические уровни и с нетерпением ждем момента, когда увидим, что там».

Будем надеяться, коллайдер позволит физикам найти нечто, чего они не ожидают найти. Все, о чем пойдет речь ниже, было бы интересно обнаружить на коллайдере. Но будет еще интереснее обнаружить что-то, о чем даже и помыслить нельзя.

Понимание темной материи

Темная материя составляет 75% всей материи Вселенной, но ученые до сих пор понятия не имеют, что это такое, потому и называют эту материю темной.

«Впервые астрономы обнаружили эту темную материю, когда поняли, что гравитационного притяжения будет недостаточно, чтобы удерживать звезды на орбите вокруг галактического центра вместе», — говорит Севьор.

Если ученые правы, частицы темной материи должны быть обнаружены на более высоких энергетических уровнях, которые стали возможны с БАК. Основной кандидат на частицу темной материи — это WIMP, «вимп», слабо взаимодействующая массивная частица. Вимпы могут представлять собой суперсимметричные частицы, зеркальные отражения обычных частиц вроде электронов и кварков.

Наше нынешнее понимание физики частиц, известное как Стандартная модель, хорошо работает для объяснения большинства вещей в субатомном мире. Но уравнения начинают ломаться выше энергии в терраэлектрон-вольтовом измерении, потому ученым так важно разогнать коллайдер до высоких энергий.

«Чтобы объяснить это, теоретики придумали суперсимметрию, которая удивительно предсказывает частицы с такими же свойствами, что и темная материя. Потому суперсимметрия является ведущим кандидатом на модель физики после Стандартной модели, хотя никаких доказательств суперсимметрии мы пока не получили».

Как насчет антиматерии?

Антиматерия — это то же самое, что и обычная материя, только с противоположным зарядом.

Ученые считают, что в процессе Большого Взрыва во Вселенной образовалось равное количество материи и антиматерии, поэтому они должны были взаимно уничтожиться почти мгновенно. Но поскольку мы существуем в материальном мире, ученые полагают, что должны быть тонкие различия в свойствах материи и антиматерии.

CERN уже произвел небольшие количества антиматерии. В ходе одного эксперимента ученые собрали 309 атомов антиводорода, но поскольку материя и антиматерия аннигилируют во вспышке энергии при контакте, антиводород исчез спустя менее чем 17 минут.

Перезапуск позволит ученым продолжить изучение уникальных свойств антиматерии с большей детализацией.

«Мы даже сможем узнать, реагирует ли антиводород на гравитацию, — говорит Севьор. — Это сложный, но интересный тест для фундаментальной физики. Мы ожидаем, что антивещество ускоряется в ответ на гравитацию так же, как и материя, но никто этого не проделывал раньше; если нет, это может перевернуть работу гравитации с ног на голову».

Изучение гравитации и дополнительных измерений пространства-времени

Ученые хотят понять, почему гравитация так отличается от других сил природы. Вполне возможно, что мы не ощущаем на себе полный эффект гравитации, потому что она распространяется в дополнительных измерениях.

Ученые вполне могут узнать больше об этих дополнительных измерениях, наблюдая за частицами, которые могут существовать только в них и реальны.

«Вместо суперсимметрии в качестве фундаментально новой физики мы можем получить дополнительные измерения, — говорит Севьор. — Теории предполагают, что в других измерениях могут быть более тяжелые версии стандартных частиц — частицы Калуцы — Клейна, обладающие большей массой, чем стандартные частицы».

Эти частицы могут быть выявлены только при высокоэнергетических столкновениях.

Создание черных дыр

Черные дыры — это места, в которых гравитация настолько сильна, что даже свет не может их покинуть.

Звездные черные дыры создаются, когда массивная гравитация звезды приводит к тому, что ее ядро внезапно разрушается, коллапсирует само в себя, создает точку невозврата. Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могу быть в миллионы или миллиарды раз больше Солнца по массе.

Ученые предположили, что микроскопические или квантовые черные дыры, которые меньше атома, могут существовать, если существуют дополнительные скрытые измерения.

До сих пор БАК не произвел никаких микроскопических черных дыр, а если бы и произвел, то они были бы настолько малы, что испарились бы за 10-27 секунд, распавшись на обычные или суперсимметричные частицы.

«Если БАК действительно создаст микроскопические черные дыры, это будет доказательством дополнительных измерений, и необычные следы от их появления будет легко заметить», — говорит Севьор.

То, что обнаружат ученые, будет зависеть от числа дополнительных измерений, массы черной дыры, размера измерений и энергии, при которой возникнет черная дыра.

Существуют ли страпельки?

Как и черные дыры, существует еще одна теоретическая опасность высокоэнергетических столкновений на БАК — страпельки-убийцы (killer-strangelet).

Страпельки («странные капельки»)— это гипотетические субатомные куски странной материи, состоящей почти полностью из верхних, нижних и странных кварков, которые в соответствии с теорией становятся тем стабильнее, чем больше растут.

Одна из теорий предполагает, что страпельки могут изменить обычную материю за тысячную долю секунды, уничтожив Землю, превратив ее в гигантскую страпельку-убийцу.

Но Севьор говорит, что это вряд ли произойдет.

«Надеюсь, мы найдем это, поскольку это крайне интересно. И я нисколько не обеспокоен, поскольку Земля и другие планеты бомбардируются высокоэнергетическими лучами, и если бы это странное вещество превращало обычную материю в страпельки, она бы давно уничтожила все миллиарды лет назад».

«Тот факт, что мы все еще здесь, отлично доказывает, что не о чем переживать».

Как работает Большой адронный коллайдер?

Самый большой в мире ускоритель элементарный частиц представляет собой 27-километровой подземное кольцо, расположенное на границе между Францией и Швейцарией.

Объект стоимостью в 10 миллиардов долларов управляется ЦЕРН, Европейской организацией ядерных исследований и сталкивает субатомные частицы друг с другом почти на скорости света.

Для столкновения используется две соседствующие трубы, лучевые линии, оснащенные мощными сверхпроводящими электромагнитами, охлаждаемыми жидким гелием до температуры ниже -271 градусов по Цельсию. Такой себе самый большой холодильник на планете.

Эти магниты направляют пучки протонов или атомных ядер по каждой из линий в противоположных направлениях. Столкновения частиц происходят в четырех гигантских подземных детекторах, расположенных в местах пересечений лучевых линий.

Первые пучки протонов были отправлены по кольцу БАК 10 сентября 2008 года, но спустя девять дней неисправность в электрическом соединении привела к утечке жидкого гелия и взрыва, который закрыл объект на год.

В ноябре 2009 года все началось снова, но мощность понизили. В начале 2013 года БАК был закрыт на повышение мощности с 8 ТэВ до 14 ТэВ. Электрон-вольт — мера энергии, используемая в области физики частиц для определения количества энергии, которую получает один электрон при ускорении с помощью одного вольта электрической разности потенциалов.

«Если мы запустим электрон с конца 1,5-вольтовой батарейки, он получит 1,5 электрон-вольт кинетической энергии, — говорит Севьор. — Это намного слабее, чем укус комара, вы его не заметите, но если в вас попадет луч с мегаваттом энергии, он прожжет в вас отверстие».

Источник: https://nlo-mir.ru/tech/32969-pjat-zagadok-kotorye-dolzhen-razgadat-bolshoj-adronnyj-kollajder.html

Большой Адронный Коллайдер своими глазами. Часть 3

Большой адронный коллайдер 3

Продолжу свой рассказ про посещение дня открытых дверей в CERN.

Первая часть здесь

Вторая часть здесь

Часть 3. Вычислительный центр. В этой части я расскажу о месте, где хранят и обрабатывают то, что является продуктом работы CERN — результаты экспериментов. Речь пойдет про вычислительный центр, хотя правильнее, наверное, его назвать дата центром. Но сначала я немного коснусь проблематики вычислений и хранения данных в CERN. Каждый год один только Большой Адронный Коллайдер производит такое количество данных, что если их записать на CD, получится стопка высотой 20 километров. Это происходит из-за того, что при работе коллайдера пучки сталкиваются 30 миллионов раз в секунду и при каждом столкновении возникает примерно 20 событий, каждое из которых производит большое количество информации в детекторе. Конечно, эта информация обрабатывается сначала в самом детекторе, затем поступает в локальный вычислительный центр и только потом передается в главный центр хранения и обработки данных. Тем не менее, приходится обрабатывать примерно петабайт данных каждый день. К этому надо добавить то, что эти данные надо не только хранить но и распределять между исследовательскими центрами по всему миру, а кроме того, поддерживать примерно 4000 пользователей WiFi сети в самом CERN. Необходимо добавить, что существует вспомогательный центр хранения и обработки данных в Венгрии, с которым существует 100 гигабитный линк. При этом внутри CERN проложено 35000 километров оптического кабеля. Однако, таким мощным компьютерный центр был не всегда. На фотографии видно, как менялось используемое оборудование с течением времени.

Сейчас произошел переход от мейнфреймов к гриду обычных РС. В настоящее время центр обладает 90000 процессорных ядер в 10000 серверов, которые работают 24 часа в сутки 7 дней в неделю. В среднем на этом гриде одновременно работает 250000 заданий по обработке данных.

Этот вычислительный центр находится на пике современных технологий и, часто, двигает вычислительную технику и IT вперед для решения задач, необходимых для хранения и обработки таких больших объемов данных.

Достаточно упомянуть то, что в здании, находящемся недалеко от вычислительного центра Тимом Бернерсом-Ли был изобретен World Wide Web (расскажите об этом тем идиотам альтернативно одаренным, которые, сидя в интернете, говорят, что фундаментальная наука не приносит пользы).

Однако вернемся к проблеме хранения данных. На фотографии видно, что в допотопные времена раньше данные хранились на магнитных дисках (Да, да, я помню эти диски объемом 29 мегабайт на ЕС ЭВМ).

Чтобы посмотреть, как обстоят дела сегодня, я иду к зданию, где находится вычислительный центр. Там, на удивление, народу не очень много и я довольно быстро прохожу внутрь. Нам показывают небольшой фильм, а затем ведут к запертой двери. Наш гид открывает дверь и мы оказываемся в достаточно большом зале, где находятся шкафы с магнитными лентами, на которых и записана информация. Большая часть зала занята этими самыми шкафами. В них хранится порядка 100 петабайт информации (что эквивалентно 700 годам Full HD видео) в 480 миллионах файлов. Интересно, что к этой информации имеют доступ примерно 10000 физиков по всему миру в 160 вычислительных центрах. Эта информация содержит все экспериментальные данные начиная с 70-х годов прошлого века. Если присмотреться повнимательнее, видно, как эти магнитные ленты расположены внутри шкафов. В некоторых стойках находятся процессорные модули. На столе располагается небольшая выставка того, что используется для хранения данных. Этот вычислительный центр потребляет 3.5 мегаватта электрической энергии и имеет свой дизель-генератор на случай отключения электричества. Надо также сказать про систему охлаждения. Она расположена снаружи здания и гонит холодный воздух под фальш-полом. Водяное охлаждение используется лишь на небольшом числе серверов. Если взглянуть внутрь шкафа, видно, как происходит автоматическая выборка и загрузка магнитных лент. Пройдя далее можно увидеть стойки с другим оборудованием. Вообще-то этот зал является не единственным залом, где расположена вычислительная техника, но то, что посетителей пустили хотя-бы сюда уже вызывает уважение к организаторам. Я сфотографировал то, что демонстрировалось на столе. После этого появилась другая группа посетителей и нас попросили на выход. Делаю последнюю фотографию и покидаю вычислительный центр.

В следующей части я расскажу про мастерские, где создается и собирается уникальное оборудование, которое используется в физических экспериментах.

Источник: https://habr.com/post/196476/

12 фактов об адронном коллайдере

Большой адронный коллайдер 3

Большой адронный коллайдер как собор во славу природы. Фрагмент из книги физика Лоуренса Краусса «Почему мы существуем?».

На концептуальный проект установки ушел целый год, а еще годом позже были утверждены предложения двух коллабораций, отвечавших за основные экспериментальные детекторы.

США, которым в этой гонке ставить было не на кого, были приняты в ЦЕРН в статусе «наблюдателя», что позволило американским физикам стать ключевыми игроками в разработке и проектировании детекторов. В 1998 г.

сооружение полости, которая должна была вместить один из двух основных приборов, детектор CMS, пришлось задержать на полгода, поскольку рабочие обнаружили на строительной площадке галло-римские руины, в том числе виллу и окружающие ее поля.

Через четыре с половиной года громадные подземные пустоты для размещения двух главных детекторов были готовы.

За два следующих года 1232 громадных магнита по пятнадцать метров длиной и тридцать пять тонн весом каждый были опущены под землю на глубину пятидесяти метров через специальную шахту и доставлены на предназначенные для них места при помощи специально спроектированного погрузчика, способного перемещаться по туннелю. Через год после этого на место были опущены последние кусочки каждого из двух больших детекторов, и 10 сентября 2008 г. в 10:28 установка первый раз была официально включена.

Через две недели разразилась катастрофа. В коннекторе одного из магнитов произошло короткое замыкание, из-за которого соответствующий сверхпроводящий магнит перешел в обычное, не сверхпроводящее состояние, высвободив громадное количество энергии и вызвав механические повреждения и утечку жидкого гелия из системы охлаждения.

Повреждения оказались достаточно обширными, чтобы потребовалась доработка проекта и проверка всех паек и соединений БАКа; на работы ушло больше года. В ноябре 2009 г.

Большой адронный коллайдер наконец вновь заработал, но из-за опасений за конструкцию в режиме разгона только до семи тысяч эквивалентных масс протона (по отношению к центру масс), а не четырнадцати тысяч, как было задумано…

Эта сухая хроника ничего не говорит о тех невероятно сложных технических задачах, которые приходилось решать в ЦЕРН на протяжении пятнадцати лет с того момента, когда впервые прозвучало предложение о строительстве установки.

Если выглянуть из окна самолета перед посадкой в аэропорту Женевы, увидишь только слегка холмистые ухоженные поля и горы в отдалении. Если не знать заранее, то невозможно догадаться, что под этими полями находится самая сложная машина из всех, когда-либо построенных человеком.

Рассмотрим некоторые характеристики установки, залегающей кое-где на глубине 175 метров под этим безмятежным пасторальным ландшафтом.

  1. В туннеле шириной 3,8 метра и длиной 27 километров располагаются два параллельных кольцевых канала для пучков, которые пересекаются в четырех точках по окружности. Вдоль кольца располагаются более тысячи шестисот сверхпроводящих магнитов, большинство из которых весит более двадцати семи тонн. Туннель настолько длинен, что его кривизна почти незаметна, если посмотреть вдоль. 
     
  2. Для того чтобы обеспечивать работу магнитов при температуре менее двух градусов над абсолютным нулем, то есть при температуре ниже, чем у космического микроволнового фона в глубинах межзвездного пространства, используется 96 тонн сверхтекучего He. Всего используется 120 тонн жидкого гелия, который сперва охлаждают при помощи примерно десяти тысяч тонн жидкого азота. Для этого пришлось изготовить около сорока тысяч герметичных трубных соединений. Объем используемого гелия делает БАК крупнейшей криогенной установкой в мире. 
     
  3. Вакуум в каналах, по которым движутся пучки, по техническим требованиям должен быть более разреженным, чем вакуум открытого космоса, с которым сталкиваются астронавты при выполнении задач на внешней поверхности МКС; давление в них должно быть в десять раз ниже атмосферного давления на Луне. Наибольший объем на БАКе, где поддерживается такой вакуум, составляет девять тысяч кубических метров, что сравнимо с внутренним объемом крупного собора.
     
  4. После разгона по туннелю в том или ином направлении протоны движутся со скоростью 0,999999991 скорости света, или всего примерно на 3 метра в секунду медленнее, чем свет. Энергия, которой обладает каждый протон при столкновении, эквивалентна энергии летящего комара, но сконцентрированной в радиальном объеме, в миллион миллионов раз меньшем размера этого комара.
     
  5. Каждый пучок протонов складывается из 2808 отдельных сгустков, стискиваемых в точке столкновения до толщины примерно в четверть толщины человеческого волоса; в каждом сгустке насчитывается 115 миллиардов протонов. Сгустки сталкиваются между собой каждую двадцатипятимиллиардную долю секунды, и всего за секунду происходит более 600 миллионов событий — столкновений частиц.
     
  6. Распределенная компьютерная сеть, разработанная для обработки данных с БАКа, является крупнейшей в мире. Необработанных данных, получаемых с установки за секунду, хватило бы, чтобы заполнить более тысячи терабайтных жестких дисков. Для шести миллионов миллиардов протон-протонных столкновений, проанализированных в одном только в 2012 г., было обработано более двадцати пяти тысяч терабайт данных — больше, чем содержится информации во всех когда-либо написанных книгах; для хранения этой информации потребовалась бы стопка CD-дисков около двадцати километров высотой. Для этого была создана распределенная по миру компьютерная сеть с 170 компьютерными центрами в тридцати шести странах. Когда установка работает, она производит около семисот мегабайт данных в секунду.
     
  7. От тысячи шестисот магнитов требуется сформировать пучки достаточной интенсивности для столкновения, что эквивалентно требованию выстрелить двумя иглами с расстояния в десять километров с такой точностью, чтобы они столкнулись ровно на полпути между двумя точками стрельбы.
     
  8. Настройка пучков настолько точна, что в расчет необходимо брать даже приливные явления, связанные с притяжением Луны и изменением ее положения над Женевой; под действием этих сил окружность БАКа ежедневно меняется на один миллиметр.
     
  9. Чтобы сгенерировать невероятно интенсивные магнитные поля, необходимые для разгона протонных пучков, через каждый из сверхпроводящих магнитов течет ток силой около двенадцати тысяч ампер — это примерно в тысячу раз превышает ток, текущий по проводам в обычном семейном доме.
     
  10. Кабели, из которых намотаны магнитные катушки коллайдера, имеют длину около 270 тысяч километров, что более чем в шесть раз превосходит окружность Земли. А если эти кабели распустить на отдельные жилы, то они протянулись бы до Солнца и обратно более пяти раз.
     
  11. Полная энергия каждого пучка примерно соответствует энергии четырехсоттонного поезда, несущегося со скоростью 150 километров в час. Этой энергии хватило бы, чтобы расплавить пятьсот килограммов меди. А энергия, запасенная в сверхпроводящих магнитах, в тридцать раз превосходит эту величину.
     
  12. Даже с учетом сверхпроводящих магнитов — а именно они позволяют сделать энергопотребление установки приемлемым — во время работы коллайдер расходует примерно столько же электричества, сколько потребляют суммарно все жители Женевы.

Физик Виктор Вайскопф, четвертый генеральный директор ЦЕРН в 1961–1966 гг., однажды сравнил большие ускорители того времени с готическими соборами средневековой Европы. В контексте ЦЕРН и БАКа это сравнение звучит особенно интересно.

Готические соборы строились на пределе, а то и за пределами технических возможностей своего времени и требовали создания новых строительных технологий и новых инструментов.

Сотни или даже тысячи лучших мастеров из десятков стран возводили их на протяжении многих десятилетий. По сравнению с ними любые уже существовавшие на тот момент здания казались карликами.

И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить Господа.

БАК представляет собой самую сложную машину из всех когда-либо построенных человеком, и для его сооружения потребовалось разработать новые строительные технологии и новые инструменты.

Чтобы создать ускоритель и работающие на нем детекторы, потребовались почти два десятилетия усилий тысяч дипломированных ученых и инженеров из более чем сотни стран, говорящих на десятках языков и происходящих из обществ, исповедующих по крайней мере столько же религий.

Масштаб этого сооружения затмевает размеры всех машин, построенных до него. И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить и исследовать красоту природы…

Лоуренс Краусс — серьезный физик-исследователь и один из самых известных в мире популяризаторов науки, с работами которого российский читатель только начинает знакомиться.

Повествование книги «Почему мы существуем?» разворачивается в двух планах: как эволюция Вселенной, которая в итоге привела к нашему существованию, и как эволюция нашего понимания устройства этой Вселенной.

Путеводной нитью у Краусса служит свет — не только свет разума, но и само излучение, свойства которого удивительным образом переосмысляются на всех этапах развития науки — от механики через теорию электромагнитных волн к теории относительности, квантовой электродинамике, физике элементарных частиц и современной космологии.

Издательство: «Альпина»

Источник: https://naukatv.ru/articles/424

Большой адронный коллайдер впервые получил чармоний со спином 3

Большой адронный коллайдер 3

Wikimedia Commons

Группа LHCb открыла новое возбужденное состояние чармония ψ3(1D) — частицу, которая состоит из c-кварка и с-антикварка, имеет массу 3843 мегаэлектронвольт и спин, равный трем.

Для этого ученые проанализировали данные о рождении D+D− и D0D̅0-мезонов, собранные на Большом адронном коллайдере между 2011 и 2018 годом.

Об открытии ученые рассказали на конференции The International Workshop «e+e Collisions From Phi to Psi 2019», кратко о нем сообщает пресс-служба Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН.

Частицу, которая состоит из кварка и антикварка одного и того же аромата, физики называют кварконием.

Как правило, этот термин используют только для связанных состояний тяжелых кварков — чармония (c-кварк плюс c-антикварк) и боттомония (b-кварк плюс b-антикварк), потому что физические состояния легких кварков (u, d, s) в эксперименте всегда наблюдаются в суперпозиции (грубо говоря, «смешиваются» друг с другом).

Впервые ученые обнаружили кварконий более сорока лет назад — в 1974 году сразу две группы физиков открыли J/ψ-мезон, который представлял собой возбужденное состояние чармония. В настоящее время физикам известно более десяти частиц, состоящих из c-кварка и c-антикварка (и примерно столько же для b-кварков и антикварков).

На первый взгляд, такое разнообразие кажется неестественным — ведь все такие частицы состоят из одних и тех же кварков. Тем не менее, важно помнить, что свойства мезонов и адронов зависят не столько от их «состава», сколько от того, в каком порядке кварки расположены внутри частицы.

Например, если «отодвинуть» кварки друг от друга, энергия их связи вырастет, а вместе с ней увеличится масса частицы. Аналогичным образом можно изменить спин, четность и другие квантовые числа.

Например, основное состояние чармония — ηc(1S)-мезон, — имеет массу около 2,98 гигаэлектронвольт и нулевой спин, а первое возбужденное состояние — J/ψ-мезон — «весит» 3,096 гигаэлектронвольт и имеет единичный спин.

Поведение возбужденного состояния — например, каналы и вероятности распада — отличается от поведения исходной частицы, поэтому физики рассматривают возбужденные состояния как самостоятельные частицы. К сожалению, далеко не все состояния, которые предсказывает Стандартная модель, наблюдались на практике. В то же время, чтобы проверить предсказания теории и, возможно, найти многообещающие отклонения, нужно закрыть все ее «пробелы».

Группа LHCb обнаружила еще одно возбужденное состояние чармония — частицу ψ3(1D), — тем самым подтвердив теоретические предсказания. Масса новой частицы примерно равна 3843±1 мегаэлектронвольт, а ширина распада — всего 3±1 мегаэлектронвольта.

Эта ширина примерно в 10–20 раз меньше характерной ширины распада других возбужденных состояний чармония, однако она совпадает с теоретическими предсказаниями для состояния со спином 3. Поэтому ученые считают, что обнаруженная частица действительно является состоянием ψ3(1D).

Впрочем, окончательно это подтвердить удастся только после измерения ее квантовых чисел.

Вероятность рождения пар D0D̅0 (сверху) и D+D− (снизу) мезонов в зависимости от инвариантной массы пары. «Холмик» (резонанс) отвечает новой частице

LHCb

Чтобы разглядеть новую частицу, ученые сталкивали на Большом адронном коллайдере протоны и наблюдали за рождением пар D+D− и D0D̅0-мезонов — частиц, которые состоят из одного c-кварка и u- или d-антикварка (или соответствующих античастиц).

Постепенно в зависимости частоты столкновений от инвариантной массы пар мезонов (как говорят физики, в спектре) образовался «холмик», который указывал на новую частицу с массой 3843 мегаэлектронвольта.

После этого ученые еще полгода перепроверяли данные, прежде чем рассказать о них на конференции (впрочем, точные данные о статистической значимости открытия в докладе не приводятся, хотя докладчик утверждает, что она достаточно велика). Подробнее об этом процессе можно прочитать в статье «Анатомия одной новости».

Ранее такие распады не удавалось обнаружить, поскольку наблюдаемый сигнал довольно слабый, и собранных данных было недостаточно. В этом анализе ученые использовали данные, собранные детектором LHCb за период между 2011 и 2018 годом.

О том, как ученые ищут «новую физику» с помощью детектора LHCb, можно прочитать в интервью Гая Уилкинсона и Рольфа Линднера — официального представителя и технического директора проекта.

Как исследователи анализируют большие объемы данных, чтобы найти среди них распады новых частиц, рассказывает материал «Рудник нолей и единиц». А о последних открытиях Большого адронного коллайдера можно узнать из рубрики «Второй сезон коллайдера».

В частности, в этой рубрике рассказывается, как ученые открыли тетракварки и пентакварки, нашли дважды очарованный барион и увидели рассеяние фотона на фотоне.

Дмитрий Трунин

Источник: https://nplus1.ru/news/2019/03/01/charmonium

Vse-referaty
Добавить комментарий