У 100 метрах під землею, на кордоні Франції та Швейцарії, розташований пристрій, який здатний відкрити таємниці світобудови. Або, на думку деяких, знищити все життя Землі.
Так чи інакше, це найбільша машина у світі, і вона використовується для дослідження найдрібніших частинок у Всесвіті. Це великий адронний (не андроїдний) колайдер (LHC).
Короткий опис
LHC є частиною проекту, який очолює Європейська організація ядерних досліджень (ЦЕРН). Колайдер включений до комплексу прискорювачів ЦЕРН за межами Женеви у Швейцарії та використовується для розгону пучків протонів та іонів до швидкості, що наближається до швидкості світла, зіткнення частинок одна з одною та запису результуючих подій. Вчені сподіваються, що це допоможе більше дізнатися про виникнення Всесвіту та про його склад.
Що таке коллайдер (LHC)? Це найамбітніший і найпотужніший прискорювач частинок, побудований на сьогоднішній день. Тисячі вчених із сотень країн співпрацюють та конкурують один з одним у пошуку нових відкриттів. Для збору даних експериментів передбачено 6 ділянок, що розташовані вздовж кола колайдера.
Зроблені з його допомогою відкриття можуть стати корисними в майбутньому, але це не є причиною його будівництва. Мета Великого адронного колайдера – розширити наші знання про Всесвіт. Враховуючи, що LHC коштує мільярди доларів і потребує співпраці багатьох країн, відсутність практичного застосування може бути несподіваною.
Навіщо потрібен Адронний колайдер?
У спробі зрозуміти наш Всесвіт, його функціонування та фактичну структуру, вчені запропонували теорію, яка називається стандартною моделлю. У ній зроблено спробу визначити і пояснити фундаментальні частинки, які роблять світ таким, яким він є. Модель поєднує елементи теорії відносності Ейнштейна з квантовою теорією. У ній також враховано 3 з 4 основних сил Всесвіту: сильні та слабкі ядерні взаємодії та електромагнетизм. Теорія не стосується 4-ї фундаментальної сили – сили тяжіння.
Стандартна модель дала кілька передбачень про Всесвіт, які узгоджуються з різними експериментами. Але є й інші аспекти, які вимагали підтвердження. Один із них – теоретична частка, звана бозоном Хіггса.
Його відкриття дає у відповідь питання про масі. Чому матерія нею має? Вчені ідентифікували частинки, які не мають маси, наприклад, нейтрино. Чому в одних вона є, а в інших – ні? Фізики запропонували багато пояснень.
Найпростіше з них – механізм Хіггса. Ця теорія свідчить, що є частка і відповідна їй сила, яка пояснює наявність маси. Раніше вона ніколи не спостерігалася, тому події, створювані LHC, мали або довести існування бозона Хіггса, або дати нову інформацію.
Ще одне питання, яким задаються вчені, пов'язане із зародженням Всесвіту. Тоді матерія та енергія були одним цілим. Після їхнього поділу частинки речовини та антиматерії знищили одна одну. Якби кількість їх була рівною, то нічого б не залишилося.
Але, на щастя для нас, у Всесвіті було більше. Вчені сподіваються спостерігати антиречовину під час роботи LHC. Це могло б допомогти зрозуміти причину різниці у кількості матерії та антиматерії, коли почався Всесвіт.
Темна матерія
Сучасне розуміння Всесвіту передбачає, що поки що можна спостерігати лише близько 4% матерії, яка має існувати. Рух галактик та інших небесних тіл свідчить, що є набагато більше видимої речовини.
Вчені назвали цю невизначену матерію темною. Спостережувана і темна матерія становлять близько 25%. Інші 3/4 походять від гіпотетичної темної енергії, що сприяє розширенню Всесвіту.
Вчені сподіваються, що їхні експерименти або нададуть додаткові докази існування темної матерії та темної енергії, або підтвердять альтернативну теорію.
Але це лише верхівка айсберга фізики елементарних частинок. Є ще екзотичніші та суперечливіші речі, які необхідно виявити, для чого і потрібен колайдер.
Великий вибух у мікромасштабах
Зіштовхуючи протони з досить великою швидкістю, LHC розбиває їх на дрібніші атомні субчастинки. Вони дуже нестабільні, і до розпаду чи рекомбінації існує лише частка секунди.
Відповідно до теорії Великого вибуху, спочатку їх складалася всі матерія. У міру розширення та охолодження Всесвіту вони об'єдналися у більші частинки, такі як протони та нейтрони.
Незвичайні теорії
Якщо теоретичні частки, антиматерія та темна енергія не є досить екзотичними, деякі вчені вважають, що LHC може надати докази існування інших вимірювань. Прийнято вважати, що світ є чотиривимірним (тривимірний простір та час). Але фізики припускають, що можуть існувати інші виміри, які люди не можуть сприймати. Наприклад, одна версія теорії струн вимагає наявності щонайменше 11 вимірів.
Адепти цієї теорії сподіваються, що LHC надасть докази пропонованої ними моделі Всесвіту. На їхню думку, фундаментальною будівельною цеглою є не частинки, а струни. Вони можуть бути відкритими або закритими, і вібрувати подібно до гітарних. Відмінність у коливаннях робить струни різними. Одні виявляють себе як електронів, інші реалізуються як нейтрино.
Що таке колайдер у цифрах?
LHC є масивною і потужною конструкцією. Він складається з 8 секторів, кожен із яких є дугою, обмеженою кожному кінці секцією, званої «вставкою». Довжина кола колайдера дорівнює 27 км.
Трубки прискорювача та камери зіткнень знаходяться на глибині 100 метрів під землею. Доступ до них забезпечує сервісний тунель з ліфтами та сходами, розташованими в кількох точках вздовж кола LHC. ЦЕРН також збудував наземні будівлі, в яких дослідники можуть збирати та аналізувати дані, що генеруються детекторами колайдера.
Для управління пучками протонів, що рухаються зі швидкістю, що дорівнює 99,99% швидкості світла, використовуються магніти. Вони величезні, важать кілька тонн. У LHC є близько 9600 магнітів. Вони охолоджуються до 1,9 К (-271,25 ° C). Це нижче за температуру космічного простору.
Протони всередині колайдера проходять трубами з надвисоким вакуумом. Це необхідно, щоб не було частинок, з якими вони могли зіткнутися до досягнення мети. Єдина молекула газу може призвести до невдачі експерименту.
На колі великого колайдера є шість ділянок, де інженери зможуть проводити свої експерименти. Їх можна порівняти з мікроскопами із цифровою камерою. Деякі з цих детекторів величезні - ATLAS є пристроєм довжиною 45 м, висотою 25 м і вагою 7 т.
У LHC задіяно близько 150 млн датчиків, які збирають дані та відправляють їх до обчислювальної мережі. Згідно з ЦЕРН обсяг інформації, що отримується під час експериментів, становить близько 700 МБ/с.
Очевидно, що такому колайдеру потрібно багато енергії. Його річна споживана потужність становить близько 800 ГВт∙год. Вона могла бути набагато більшою, але об'єкт не працює у зимові місяці. За даними ЦЕРН, вартість енергії становить близько 19 млн євро.
Зіткнення протонів
Принцип, що лежить в основі фізики колайдера, є досить простим. Спершу проводиться запуск двох пучків: одного – за годинниковою стрілкою, а другого – проти. Обидва потоки прискорюються до швидкості світла. Потім їх спрямовують назустріч один одному й спостерігають результат.
Обладнання, необхідне досягнення цієї мети, набагато складніше. LHC є частиною комплексу ЦЕРН. Перш ніж будь-які частинки увійдуть до LHC, вони вже проходять ряд кроків.
По-перше, щоб одержати протонів вчені повинні позбавити атоми водню електронів. Потім частинки направляються в установку LINAC 2, яка запускає в прискорювач PS Booster. Ці машини для прискорення часток використовують електричне змінне поле. Утримувати пучки допомагають поля, створювані гігантськими магнітами.
Коли промінь досягає потрібного енергетичного рівня, PS Booster спрямовує його в суперсинхротрон SPS. Потік прискорюється ще більше і ділиться на 2808 пучків по 1,1 x 1011 протонів. SPS вводить промені в LHC за годинниковою та проти годинникової стрілки.
Усередині великого адронного колайдера протони продовжують прискорюватися протягом 20 хвилин. На максимальній швидкості вони здійснюють 11245 обертів навколо LHC щосекунди. Промені сходяться на одному з шести детекторів. При цьому відбувається 600 млн зіткнень на секунду.
Коли зіштовхуються 2 протона, вони розщеплюються більш дрібні частинки, зокрема кварки і глюони. Кварки дуже нестійкі та розпадаються за частку секунди. Детектори збирають інформацію, відстежуючи шлях субатомних частинок, і направляють її до обчислювальної мережі.
Не всі протони стикаються. Інші продовжують рух до секції скидання променя, де поглинаються графітом.
Детектори
Уздовж кола колайдера розташовані 6 секцій, у яких проводиться збір даних та проводяться експерименти. З них 4 детектори основні та 2 меншого розміру.
Найбільшим є ATLAS. Його розміри - 46 х 25 х 25 м. Трекер виявляє та аналізує імпульс частинок, що проходять через ATLAS. Його оточує калориметр, що вимірює енергію частинок, поглинаючи їх. Вчені можуть спостерігати траєкторію їх руху та екстраполювати інформацію про них.
Детектор ATLAS також має спектрометр мюона. Мюони - це негативно заряджені частки у 200 разів важчі за електрони. Вони єдині здатні проходити через калориметр без зупинки. Спектрометр вимірює імпульс кожного мюона датчиками заряджених частинок. Ці рецептори можуть виявляти флуктуації в магнітному полі ATLAS.
Компактний мюонний соленоїд (CMS) є детектором загального призначення, який виявляє та вимірює субчастинки, що вивільняються під час зіткнень. Прилад знаходиться всередині гігантського соленоїдного магніту, який може створити магнітне поле, що майже в 100 тисяч разів перевищує магнітне поле Землі.
Детектор ALICE розроблений вивчення зіткнень іонів заліза. Таким чином дослідники сподіваються відтворити умови, подібні до тих, що сталися відразу після Великого вибуху. Вони очікують побачити, як іони перетворюються на суміш кварків та глюонів. Основним компонентом ALICE є камера TPC, що служить для вивчення та відтворення траєкторії частинок.
LHC служить для пошуку доказів існування антиречовини. Він робить це шляхом пошуку частинки, яка називається чарівним кварком. Ряд субдетекторів, що оточують точку зіткнення, має 20 метрів завдовжки. Вони можуть вловлювати дуже нестійкі частинки чарівних кварків, що швидко розпадаються.
Експеримент ТОТЕМ проводиться на ділянці з одним із малих детекторів. Він вимірює розмір протонів та яскравість LHC, що вказує на точність створення зіткнень.
Експеримент LHC імітує космічні промені в контрольованому середовищі. Його метою є допомога у розробці широкомасштабних досліджень реальних космічних променів.
На кожній ділянці детектування працює команда дослідників, що налічує від кількох десятків до понад тисячу вчених.
Обробка даних
Не дивно, що такий колайдер генерує величезний потік даних. 15000000 ГБ, щорічно одержуються детекторами LHC, ставлять перед дослідниками величезне завдання. Її рішенням є обчислювальна мережа, що складається з комп'ютерів, кожен із яких здатний самостійно аналізувати фрагмент даних. Як тільки комп'ютер завершить аналіз, він надсилає результати на центральний комп'ютер і отримує нову порцію.
Вчені з ЦЕРН вирішили зосередитись на використанні відносно недорогого обладнання для виконання своїх розрахунків. Замість придбання передових серверів і процесорів використовується обладнання, яке може добре працювати в мережі. За допомогою спеціального програмного забезпечення мережа комп'ютерів зможе зберігати та аналізувати дані кожного експерименту.
Небезпека для планети?
Дехто побоюється, що такий потужний колайдер може становити загрозу для життя на Землі, у тому числі брати участь у формуванні чорних дірок, «дивної матерії», магнітних монополій, радіації тощо.
Вчені послідовно заперечують такі твердження. Утворення чорної діри неможливе, оскільки між протонами та зірками є велика різниця. «Дивна матерія» вже давно могла б утворитися під дією космічних променів, і небезпека цих гіпотетичних утворень сильно перебільшена.
Колайдер надзвичайно безпечний: він відокремлений від поверхні 100-метровим шаром ґрунту, а персоналу заборонено перебувати під землею під час проведення експериментів.
Новина про експеримент, що проводиться в Європі, сколихнула суспільний спокій, піднявшись на перші позиції списку обговорюваних тем. Адронний колайдерзасвітився усюди – на ТБ, у пресі та інтернеті. Що вже казати, якщо жж-юзери створюють окремі спільноти, де вже сотні небайдужих активно висловили свою думку щодо нового дітища науки. «Дело» пропонує вам 10 фактів, які не можна не знати про адронному колайдері.
Таємниче наукове словосполучення перестає бути таким, щойно ми з'ясуємо значення кожного зі слів. Адрон- Назва класу елементарних частинок. Колайдер- особливий прискорювач, за допомогою якого можна передати елементарним часткам речовини високу енергію і, розігнавши до високої швидкості, відтворити їх зіткнення один з одним.
2. Чому про нього усі говорять?
На думку вчених Європейського центру ядерних досліджень CERN, експеримент дозволить відтворити в мініатюрі вибух, внаслідок якого мільярди років тому утворився Всесвіт. Проте найбільше громадськість хвилює те, якими будуть наслідки міні-вибуху для планети у разі невдалого результату експерименту. На думку деяких учених, у результаті зіштовхування елементарних частинок, що летять із ультрарелятивістськими швидкостями у протилежних напрямках, утворюються мікроскопічні чорні дірки, а також вилетять інші небезпечні частинки. Покладатися ж на спеціальне випромінювання, що призводить до випаровування чорних дірок, особливо не варто – експериментальних підтверджень тому, що воно працює, немає. Тому до такої наукової інновації і виникає недовіра, що активно підігрівається скептично налаштованими вченими.
3. Як працює ця штуковина?
Елементарні частинки розганяються різних орбітах у протилежних напрямах, після чого поміщаються однією орбіту. Цінність хитромудрого пристрою в тому, що завдяки йому вчені отримують можливість досліджувати продукти зіткнення елементарних частинок, що фіксуються спеціальними детекторами у вигляді цифрових фотокамери з роздільною здатністю 150 мегапікселів, здатних робити 600 мільйонів кадрів в секунду.
4. Коли виникла ідея створити колайдер?
Ідея будівництва машини народилася ще 1984 року, проте будівництво тунелю почалося лише 2001 року. Прискорювач розташований у тому ж тунелі, де раніше був попередній прискорювач – Великий електрон-позитронний колайдер. 26,7 – кілометрове кільце прокладено на глибині близько ста метрів під землею на території Франції та Швейцарії. 10 вересня у прискорювачі було запущено перший пучок протонів. У найближчі кілька днів буде запущено другий пучок.
5. Скільки коштувало будівництво?
У розробці проекту брали участь сотні вчених усього світу, зокрема й російські. Його вартість оцінюється в 10 мільярдів доларів, із них 531 мільйон у будівництво адронного колайдера вклали США.
6. Який внесок зробила Україна у створення прискорювача?
Вчені українського Інституту теоретичної фізики взяли безпосередню участь у розбудові андронного колайдера. Спеціально для досліджень ними було розроблено внутрішню трекову систему (ITS). Вона є серцем «Аліси». колайдера, де має статися мініатюрний «великий вибух» Очевидно, не остання за значущістю деталь машини. Україна має щорічно виплачувати 200 тисяч гривень за право на участь у проекті. Це у 500-1000 разів менше від внесків у проект інших країн.
7. Коли чекати кінця світу?
Перший експеримент зі зіткнення пучків елементарних частинок намічено на 21 жовтня. До цього часу вчені планують розігнати частинки до швидкості, наближеної до світла. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, чорні дірки нам не загрожують. Проте якщо теорії з додатковими просторовими вимірами виявляться вірні, ми залишилося дуже багато часу, щоб встигнути вирішити всі питання на планеті Земля.
8. Чим страшні чорні дірки?
Чорна діра- область у просторі-часі, сила гравітаційного тяжіння якої настільки сильна, що навіть об'єкти, що рухаються зі швидкістю світла, не можуть залишити її. Існування чорних дірок підтверджується рішеннями рівнянь Ейнштейна. Не дивлячись на те, багато хто вже уявляє собі, як чорна діра, що утворилася в Європі, розростаючись, поглине всю планету, бити на сполох не варто. Чорні діри, які, згідно з деякими теоріями, можуть з'явитися під час роботи колайдера, згідно з тими самими теоріями, будуть існувати протягом настільки короткого відрізка часу, що просто не встигнуть розпочати процес поглинання матерії. За твердженнями деяких учених, вони навіть не встигнуть долетіти до стін колайдера.
9. Чим корисні дослідження?
Крім того, що дані дослідження – чергове неймовірне досягнення науки, яке дозволить людству дізнатися про склад елементарних частинок, це ще не весь виграш, заради якого людство пішло на такий ризик. Можливо, незабаром ми з вами зможемо на власні очі побачити динозаврів і обговорити найефективніші військові стратегії з Наполеоном. Російські вчені вважають, що в результаті експерименту людству стане потужним створення машини часу.
10. Як справити враження науково підкованої людини за допомогою адронного колайдера?
Ну і нарешті, якщо хтось, заздалегідь озброївшись відповіддю, запитає у вас, що це адронний колайдер, пропонуємо вам гідний варіант відповіді, здатного приємно здивувати будь-кого. Отже, пристебнули ремені! Адронний колайдер – прискорювач заряджених частинок, призначений для розгону протонів та важких іонів на зустрічних пучках. Побудований у науково-дослідному центрі Європейської ради ядерних досліджень і є 27-кілометровим тунелем, прокладеним на глибині 100 метрів. У зв'язку з тим, що протони електрично заряджені, ультрарелятивістський протон породжує хмару майже реальних фотонів, що летять поруч із протоном. Цей потік фотонів стає ще сильнішим у режимі ядерних зіткнень через великий електричний заряд ядра. Вони можуть зіткнутися як із зустрічним протоном, породжуючи типові фотон-адронні зіткнення, так і один з одним. Вчені побоюються, що в результаті експерименту можуть утворитися просторово-часові тунелі в просторі, які є типологічною особливістю часу. В результаті експерименту також може бути доведено існування суперсиметрії, яка таким чином стане непрямим підтвердженням істинності теорії суперструн.
Багато хто вже, так чи інакше, але чув термін «Великий адронний колайдер». Для простого обивателя цих слів знайоме лише слово «великий». Але що це насправді? Та й чи можна простому смертному освоїти цей термін.
Великий адронний колайдер (БАК) є установкою для дослідів вчених-фізиків з елементарними частинками. За формулюванням, ВАК є прискорювачем заряджених частинок на зустрічних пучках, призначений для розгону важких іонів і протонів та вивчення продуктів зіткнень. Іншими словами, вчені зіштовхують атоми, а потім дивляться, що з цього вийшло.
На даний час - це найбільша експериментальна установка у світі. Розмір цієї установки можна порівняти з містом діаметром, майже 27 кілометрів, яке знаходиться на стометровій глибині. Ця установка знаходиться неподалік Женеви, а на її будівництво пішло 10 мільярдів доларів.
Однією з основних завдань установки ВАК (за твердженням вчених) є пошук бозона Хіггса. Знову ж таки, простими словами – це спроба знайти частинку, яка відповідає за наявність маси.
Паралельно з цим, на колайдері проводяться експерименти з пошуку:
- Часток поза «Стандартної моделі»,
- Магнітних монополів (часток, що володіють магнітним полем),
- Так само, проходить дослідження квантової гравітації та дослідження мікроскопічних дірок.
Ось ці «мікроскопічні чорні дірки»і не дають багатьом спокою. Причому хвилюються не лише ті, для кого знайомство з фізикою закінчилося на шкільній лаві, а й ті, хто продовжує вивчати її на професійному рівні.
Що таке чорна дірка відомо всім і зі шкільної лави та за фантастичними оповіданнями та фільмами. Багато хто (у тому числі й вчені) переживають, що подібні експерименти, частина з яких побудована для спроби відтворення «великого вибуху» (після якого, за теорією виник всесвіт) призведуть до неминучого краху всієї планети.
Вчені заспокоюють, що жодної небезпеки від цих дослідів та експериментів немає. Але є ще один факт, який ніколи не враховує світила науки. Йдеться про зброю.
Кожен нормальний вчений, роблячи відкриття чи щось, винаходячи – робить це з двома цілями. Перша мета допомогти світові жити краще, а друга менш гуманна, але людська – це прославитись.
Але, чомусь усі винаходи (без перебільшень), займають своє місце у створенні знарядь для вбивства того самого людства і прославлених учених. Навіть такі відкриття, які для нас стали обивательськими (радіо, механічні двигуни, супутникове телебачення тощо), не кажучи вже про атомну енергію, міцно посіли своє місце в «оборонці».
У 2016 році, в Підмосков'ї планують запустити установку, подібну до європейського ВАКу. Але тільки російська установка, на відміну від «старшого брата», має насправді відтворити «великий вибух» у малих масштабах.
І хто дасть гарантію, що сусідня Москва (а з нею і Земля), не стане прародителькою нової «чорної дірки» у величезному всесвіті?
Історія створення прискорювача, який ми знаємо сьогодні як великий адронний колайдер, розпочинається ще з 2007 року. Спочатку хронологія прискорювачів розпочалася з циклотрону. Прилад був невеликий пристрій, який легко вміщався на столі. Потім історія прискорювачів почала стрімко розвиватися. З'явився синхрофазотрон та синхротрон.
В історії, мабуть, найцікавішим став період із 1956 по 1957 роки. На той час радянська наука, зокрема фізика, не відставала від зарубіжних братів. Використовуючи напрацьований роками досвід, радянський фізик на ім'я Володимир Векслер здійснив прорив у науці. Ним було створено найпотужніший на той час синхрофазотрон. Його робоча потужність дорівнювала 10 гігаелектронвольт (10 мільярдів електронвольт). Після цього відкриття створювалися вже серйозні зразки прискорювачів: великий електронно-позитронний колайдер, Швейцарський прискорювач у Німеччині, США. Усі вони мали одну спільну мету – вивчення фундаментальних частинок кварків.
Великий адронний колайдер було створено насамперед завдяки старанням італійського фізика. Ім'я йому Карло Рубіа, лауреат Нобелівської премії. Під час своєї діяльності Руббіа працював директором у Європейській організації з ядерних досліджень. Вирішено було побудувати та запустити адронний колайдер саме на місці центру досліджень.
Де адронний колайдер?
Колайдер розташований на кордоні між Швейцарією та Францією. Довжина його кола складає 27 кілометрів, тому його і називають великим. Кільце прискорювача сягає вглиб від 50 до 175 метрів. У колайдері встановлено 1232 магніти. Вони є надпровідними, а значить, з них можна виробити максимальне поле для розгону, оскільки витрати енергії в таких магнітах практично відсутні. Загальна вага кожного магніту становить 3,5 тонни за довжини 14,3 метра.
Як і будь-який фізичний об'єкт великий адронний колайдер виділяє тепло. Тому його потрібно постійно остуджувати. Для цього підтримується температура 1,7 К за допомогою 12 мільйонів літрів рідкого азоту. Крім цього, для охолодження використовується (700 тисяч літрів), і найважливіше - використовується тиск, який у десять разів нижчий за нормальний атмосферний.
Температура 1,7 К за шкалою Цельсія становить –271 градус. Така температура майже близька до називається мінімально можливою межею, яка може мати фізичне тіло.
Внутрішня частина тунелю не менш цікава. Там знаходяться ніобій-титанові кабелі із надпровідними можливостями. Їхня довжина становить 7600 кілометрів. Загальна вага кабелів дорівнює 1200 тонн. Внутрішність кабелю - це сплетення 6300 дротів із загальною відстанню 1,5 мільярда кілометрів. Така довжина дорівнює 10 астрономічних одиниць. Наприклад, дорівнює 10 таким одиницям.
Якщо говорити про його географічне розташування, то можна сказати, що кільця коллайдера лежать між містами Сен-Жені і Форне-Вольтер, розташованими на французькій стороні, а також Мейрін і Вессурат - зі Швейцарської сторони. Маленьке кільце, що називається PS, проходить вздовж кордону діаметром.
Сенс існування
Щоб відповісти на запитання «для чого потрібен адронний колайдер», потрібно звернутися до вчених. Багато вчених говорять, що це найбільший винахід за весь період існування науки, і те, що без нього наука, яка відома нам сьогодні, просто немає сенсу. Існування та запуск великого адронного колайдера цікаві тим, що при зіткненні частинок в адронному колайдері відбувається вибух. Всі найдрібніші частки розлітаються в різні боки. Утворюються нові частинки, які можуть пояснити існування та сенс багато чого.
Перше, що вчені намагалися знайти в цих частинках, що розбилися - це теоретично передбачену фізиком Пітером Хіггсом елементарну частинку, названу Це приголомшлива частка є носієм інформації, як вважається. Ще її прийнято називати «часткою Бога». Відкриття її наблизило б вчених до розуміння всесвіту. Слід зазначити, що у 2012 році, 4 липня, адронний колайдер (запуск його частково вдався) допоміг виявити схожу частинку. На сьогоднішній день вчені намагаються вивчити її докладніше.
Чи довго...
Звичайно, одразу виникає питання, а чому вчені так довго вивчають ці частки. Якщо є прилад, то можна запускати його, і щоразу знімати нові і нові дані. Справа в тому, що робота адронного колайдера – це дороге задоволення. Один запуск обходиться у велику суму. Наприклад, річна витрата енергії дорівнює 800 млн. кВт/год. Такий обсяг енергії витрачає місто, де проживає близько 100 тис. осіб, за середніми мірками. І це не рахуючи витрат на обслуговування. Ще одна причина - це те, що у адронного коллайдера вибух, який відбувається при зіштовхуванні протонів, пов'язаний з отриманням великого обсягу даних: комп'ютери зчитують стільки інформації, що на обробку потрібно багато часу. Навіть незважаючи на те, що потужність комп'ютерів, які отримують інформацію, велика навіть за сьогоднішніми мірками.
Наступна причина – це не менш відома Вчені, які працюють з колайдером у цьому напрямку, впевнені, що видимий спектр всього всесвіту становить лише 4%. Передбачається, що ті, що залишилися, — це темна матерія і темна енергія. Експериментально намагаються довести те, що ця теорія є вірною.
Адронний колайдер: за чи проти
Висунута теорія про темну матерію поставила під сумнів безпеку існування адронного колайдера. Виникло питання: "Адронний колайдер: за чи проти?" Він хвилював багатьох вчених. Усі великі уми світу розділилися на дві категорії. «Противники» висунули цікаву теорію про те, що якщо така матерія існує, то у неї має бути протилежна їй частка. І при зіткненні частинок у прискорювачі з'являється темна частина. Існував ризик того, що темна частина та частина, яку ми бачимо, зіткнуться. Тоді це могло б призвести до загибелі всесвіту. Однак після першого запуску адронного колайдера ця теорія була частково розбита.
Далі за значимістю йде вибух всесвіту, вірніше сказати – народження. Вважається, що при зіткненні можна поспостерігати те, як всесвіт поводився в перші секунди існування. Як вона виглядала після походження Великого вибуху. Вважається, що процес зіткнення частинок дуже схожий на те, що був на початку зародження всесвіту.
Ще не менш фантастична ідея, яку перевіряють вчені – це екзотичні моделі. Це здається неймовірним, але є теорія, яка передбачає, що існують інші виміри та всесвіт зі схожими на нас людьми. І, як не дивно, прискорювач і тут зможе допомогти.
Простіше кажучи, мета існування прискорювача в тому, щоб зрозуміти, що таке всесвіт, як він був створений, довести чи спростувати всі існуючі теорії про частинки та пов'язані з ними явища. Звичайно, на це знадобляться роки, але з кожним запуском з'являються нові відкриття, які перевертають світ науки.
Факти про прискорювач
Всім відомо, що прискорювач розганяє частинки до 99% швидкості світла, але не всі знають, що відсоток дорівнює 99,9999991% від швидкості світла. Ця чудова цифра має сенс завдяки ідеальній конструкції та потужним магнітам прискорення. Також слід зазначити деякі менш відомі факти.
Приблизно 100 млн. потоків з даними, які надходять від кожного з двох основних детекторів, можуть за лічені секунди заповнити більше 100 тисяч компакт-дисків. Всього за один місяць кількість дисків досягла б такої висоти, що якщо їх скласти в стопу, то вистачило б до Місяця. Тому було ухвалено рішення збирати не всі дані, які приходять з детекторів, а лише ті, які дозволить використовувати систему збору даних, яка за фактом виступає як фільтр для отриманих даних. Вирішили записувати лише 100 подій, які виникли в момент вибуху. Записуватимуться ці події до архіву обчислювального центру системи Великого адронного колайдера, який розташований у Європейській лабораторії з фізики елементарних частинок, яка за сумісництвом є місцем розташування прискорювача. Записуватимуться не ті події, які були зафіксовані, а ті, що становлять найбільший інтерес для наукової спільноти.
Подальша обробка
Після запису сотні кілобайт даних оброблятимуть. Для цього використовується понад дві тисячі комп'ютерів, розташованих у ЦЕРН. Завдання цих комп'ютерів полягає у обробці первинних даних та формуванні з них бази, яка буде зручна для подальшого аналізу. Далі сформований потік даних буде спрямовано обчислювальну мережу GRID. Ця інтернет-мережа об'єднує тисячі комп'ютерів, що розташовуються в різних інститутах по всьому світу, пов'язує понад сотню великих центрів, що розташовані на трьох континентах. Всі такі центри з'єднані з ЦЕРНом з використанням оптоволокна - для максимальної швидкості передачі даних.
Говорячи про факти, слід згадати також про фізичні показники будови. Тунель прискорювача знаходиться у відхиленні на 1,4% від горизонтальної площини. Зроблено це в першу чергу для того, щоб помістити більшу частину прискорювача тунелю в монолітну скелю. Таким чином, глибина розміщення на протилежних сторонах є різною. Якщо рахувати з боку озера, яке знаходиться недалеко від Женеви, то глибина дорівнюватиме 50 метрам. Протилежна частина має глибину 175 метрів.
Цікаво, що місячні фази впливають на прискорювач. Здавалося б, як такий віддалений об'єкт може впливати такій відстані. Однак помічено, що під час повного місяця, коли відбувається приплив, земля в районі Женеви піднімається на цілих 25 сантиметрів. Це впливає на довжину коллайдера. Протяжність цим збільшується на 1 міліметр, а також змінюється енергія пучка на 0,02%. Оскільки контроль енергії пучка повинен проходити до 0,002%, дослідники повинні враховувати це явище.
Також цікаво те, що тунель колайдера має форму восьмикутника, а не кола, як багато хто уявляє. Кути утворюються через короткі секції. У них розташовуються встановлені детектори, а також система, яка керує пучком частинок, що прискорюються.
Будова
Адронний колайдер, запуск якого пов'язаний з використанням багатьох деталей та хвилюванням вчених, - дивовижний пристрій. Весь прискорювач складається із двох кілець. Мале кільце називається протонний синхротрон або, якщо використовувати абревіатури - PS. Велике кільце – протонний суперсинхротрон, або SPS. Разом два кільця дозволяють розігнати частини до 99,9% швидкості світла. При цьому колайдер підвищує енергію протонів, збільшуючи їх сумарну енергію в 16 разів. Також він дозволяє зіштовхувати частки між собою приблизно 30 млн. разів/с. протягом 10 годин. Від 4 основних детекторів виходить щонайменше 100 терабайт цифрових даних за секунду. Отримання даних зумовлено окремими чинниками. Наприклад, вони можуть виявити елементарні частинки, які мають негативний електричний заряд, а також мають половинний спин. Оскільки ці частинки є нестійкими, то пряме виявлення неможливе, можливо виявити тільки їх енергію, яка вилітатиме під певним кутом до осі пучка. Ця стадія називається першим рівнем запуску. За цією стадією стежать більш ніж 100 спеціальних плат обробки даних, які вбудовані логічні схеми реалізації. Ця частина роботи характерна тим, що в період отримання даних відбувається відбір більш ніж 100 000 блоків з даними в одну секунду. Потім ці дані будуть використовуватись для аналізу, який відбувається з використанням механізму вищого рівня.
Системи наступного рівня, навпаки, приймають інформацію від усіх потоків детектора. Програмне забезпечення детектора працює у мережі. Там воно буде використовувати велику кількість комп'ютерів для обробки наступних блоків даних, середній час між блоками – 10 мікросекунд. Програми повинні створювати позначки частинок, відповідаючи початковим точкам. В результаті вийде сформований набір даних, що складаються з імпульсу, енергії, траєкторії та інших, що виникли за однієї події.
Частини прискорювача
Весь прискорювач можна розділити на 5 основних елементів:
1) Прискорювач електронно-позитронного коллайдера. Деталь є близько 7 тисяч магнітів з надпровідними властивостями. За допомогою них відбувається напрямок пучка по кільцевому тунелю. Також вони зосереджують пучок в один потік, ширина якого зменшиться до ширини однієї волосини.
2) Компактний мюонний соленоїд. Це детектор, призначений загального призначення. У такому детекторі ведуться пошуки нових явищ і, наприклад, пошук часток Хіггса.
3) Детектор LHCb. Значення цього пристрою полягає у пошуку кварків та протилежних їм частинок - антикварків.
4) Тороїдальна установка ATLAS. Цей детектор призначений для фіксації мюонів.
5) Alice. Цей детектор захоплює зіткнення іонів свинцю та протон-протонні зіткнення.
Проблеми під час запуску адронного колайдера
Незважаючи на те, що наявність високих технологій виключає можливість помилок, на практиці все інакше. Під час збирання прискорювача відбувалися затримки, а також збої. Слід сказати, що несподіваною така ситуація не була. Пристрій містить стільки нюансів і вимагає такої точності, що вчені чекали на подібні результати. Наприклад, одна з проблем, яка постала перед вченими під час запуску – відмова магніту, який фокусував пучки протонів безпосередньо перед їх зіткненням. Ця серйозна аварія була викликана руйнуванням частини кріплення внаслідок втрати надпровідності магнітом.
Ця проблема виникла у 2007 році. Через неї запуск колайдера відкладали кілька разів, і тільки в червні запуск відбувся, майже через рік колайдер все ж таки запустився.
Останній запуск колайдера пройшов успішно, було зібрано безліч терабайт даних.
Адронний колайдер, запуск якого відбувся 5 квітня 2015 року, успішно функціонує. Протягом місяця пучки ганятимуть по кільцю, поступово збільшуючи потужність. Цілі для дослідження як такої немає. Буде підвищено енергію зіткнення пучків. Значення піднімуть із 7 ТеВ до 13 ТеВ. Таке збільшення дасть змогу побачити нові можливості при зіткненні частинок.
У 2013 та 2014 pp. проходили серйозні технічні огляди тунелів, прискорювачів, детекторів та іншого обладнання. В результаті було 18 біполярних магнітів із надпровідною функцією. Слід зазначити, що загальна кількість їх становить 1232 штуки. Однак магніти, що залишилися, не залишилися без уваги. В інших замінили системи захисту від остигання, поставили покращені. Також покращено охолоджувальну систему магнітів. Це дозволяє їм залишатися за низьких температур з максимальною потужністю.
Якщо все пройде успішно, наступний запуск прискорювача пройде лише через три роки. Через цей період намічено планові роботи з покращення, технічного огляду коллайдера.
Потрібно зазначити, що ремонт коштує копійку, не враховуючи вартість. Адронний колайдер, станом на 2010 рік, має ціну, рівну 7,5 млрд. євро. Ця цифра виводить весь проект на перше місце у списку найдорожчих проектів в історії науки.
Багато простих мешканців планети ставлять собі питання про те, для чого потрібний великий адронний колайдер. Незрозумілі більшості наукових досліджень, на які витрачено багато мільярдів євро, викликають настороженість і побоювання.
Може, це й не дослідження зовсім, а прототип машини часу чи портал для телепортації інопланетних істот, здатних змінити долю людства? Чутки ходять найфантастичніші та найстрашніші. У статті спробуємо розібратися, що таке адронний колайдер і для чого він створювався.
Амбіційний проект людства
Великий адронний колайдер на сьогодні є найпотужнішим на планеті прискорювачем частинок. Він знаходиться на кордоні Швейцарії та Франції. Точніше під нею: на глибині 100 метрів залягає кільцевий тунель прискорювача завдовжки майже 27 кілометрів. Господарем експериментального полігону вартістю понад 10 мільярдів доларів є Європейський центр ядерних досліджень.
Величезна кількість ресурсів і тисячі фізиків-ядерників займаються тим, що прискорюють протони та важкі іони свинцю до швидкості, близької до світлової, у різних напрямках, після чого стикаються один з одним. Результати прямих взаємодій ретельно вивчаються.
Пропозиція створити новий прискорювач частинок надійшла ще 1984 року. Десять років велися різні дискусії щодо того, що буде адронним колайдером, навіщо потрібен саме такий масштабний дослідницький проект. Тільки після обговорення питань особливостей технічного рішення та необхідних параметрів встановлення проект було затверджено. Будівництво розпочали лише у 2001 році, виділивши для його розміщення колишнього прискорювача елементарних частинок – великого електрон-позитронного колайдера.
Навіщо потрібний великий адронний колайдер
Взаємодія елементарних частинок описується по-різному. Теорія відносності входить у протиріччя з квантовою теорією поля. Відсутньою ланкою у здобутті єдиного підходу до будови елементарних частинок є неможливість створення теорії квантової гравітації. Ось навіщо потрібний адронний колайдер підвищеної потужності.
Загальна енергія при зіткненні частинок становить 14 тераелектронвольт, що робить пристрій значно потужнішим прискорювачем, ніж усі існуючі сьогодні у світі. Провівши експерименти, раніше неможливі з технічних причин, вчені з великою ймовірністю зможуть документально підтвердити або спростувати існуючі теорії мікросвіту.
Вивчення кварк-глюонної плазми, що утворюється при зіткненні ядер свинцю, дозволить побудувати досконалішу теорію сильних взаємодій, яка зможе кардинально змінити ядерну фізику та зоряного простору.
Бозон Хіггса
У далекому 1960 році фізик із Шотландії Пітер Хіггс розробив теорію поля Хіггса, згідно з якою частинки, що потрапляють у це поле, піддаються квантовому впливу, що у фізичному світі можна спостерігати як масу об'єкта.
Якщо в ході експериментів вдасться підтвердити теорію шотландського ядерного фізика і знайти бозон (квант) Хіггса, то ця подія може стати новою точкою для розвитку жителів Землі.
А керуючого гравітацією, що відкрилися, багаторазово перевищать всі видимі перспективи розвитку технічного прогресу. Тим більше, що передових вчених більше цікавить не сама наявність бозона Хіггса, а процес порушення електрослабкої симетрії.
Як він працює
Щоб експериментальні частинки досягли немислимої поверхні швидкості, майже рівної у вакуумі, їх розганяють поступово, щоразу збільшуючи енергію.
Спочатку лінійні прискорювачі роблять інжекцію іонів і протонів свинцю, які потім піддають ступінчастому прискоренню. Частинки через бустер потрапляють у протонний синхротрон, де отримують заряд 28 ГеВ.
На наступному етапі частки потрапляють у супер-синхротрон, де енергія їхнього заряду доводиться до 450 ГеВ. Досягши таких показників, частки потрапляють у головне багатокілометрове кільце, де у спеціально розташованих місцях зіткнення детектори докладно фіксують момент зіткнення.
Крім детекторів, здатних зафіксувати всі процеси при зіткненні, для утримання протонних згустків у прискорювачі використовують 1625 магнітів, що мають надпровідність. Загальна їхня довжина перевищує 22 кілометри. Спеціальна для досягнення підтримує температуру –271 °C. Вартість кожного такого магніту оцінюється в мільйон євро.
Мета виправдовує засоби
Для проведення таких амбітних експериментів і було побудовано найпотужніший адронний колайдер. Навіщо потрібен багатомільярдний науковий проект, людству розповідають із неприхованим захопленням багато вчених. Щоправда, у разі нових наукових відкриттів, швидше за все, їх буде надійно засекречено.
Навіть можна сказати, напевно. Підтвердженням цьому є історія цивілізації. Коли придумали колесо, з'явилися Освоїло людство металургію - привіт, гармати та рушниці!
Всі найсучасніші розробки сьогодні стають надбанням військово-промислових комплексів розвинених країн, але не всього людства. Коли вчені навчилися розщеплювати атом, що з'явилося першим? Атомні реактори, що дають електроенергію, щоправда, після сотень тисяч смертей у Японії. Жителі Хіросіми однозначно були проти наукового прогресу, який забрав у них та їхніх дітей завтрашній день.
Технічний розвиток виглядає глузуванням над людьми, тому що людина в ньому скоро перетвориться на найслабшу ланку. За теорією еволюції, система розвивається і міцніє, позбавляючись слабких місць. Може вийти незабаром так, що нам не залишиться місця у світі техніки, що вдосконалюється. Тому питання "навіщо потрібен великий адронний колайдер саме зараз" насправді - не марна цікавість, бо викликана побоюванням за долю всього людства.
Запитання, на які не відповідають
Навіщо нам великий адронний колайдер, якщо на планеті мільйони помирають від голоду і невиліковних, а часом і хвороб, що піддаються лікуванню? Хіба він допоможе подолати це зло? Навіщо потрібен адронний колайдер людству, яке при всьому розвитку техніки ось уже сто років не може навчитися успішно боротися з раковими захворюваннями? А може просто вигідніше надавати дорогі медпослуги, ніж знайти спосіб зцілити? При існуючому світопорядку та етичному розвитку лише жменьці представників людської раси потрібний великий адронний колайдер. Навіщо він потрібен всьому населенню планети, що веде безперервний бій за право жити у світі, вільному від зазіхань на чиєсь життя та здоров'я? Історія про це замовчує...
Побоювання наукових колег
Є інші представники наукового середовища, які висловлюють серйозні побоювання щодо безпеки проекту. Велика ймовірність того, що науковий світ у своїх експериментах, через свою обмеженість у знаннях, може втратити контроль над процесами, які навіть до ладу не вивчені.
Такий підхід нагадує лабораторні досліди юних хіміків – все змішати та подивитися, що буде. Останній приклад може закінчитися вибухом у лабораторії. А якщо такий «успіх» спіткає адронний колайдер?
Навіщо потрібен невиправданий ризик землянам, тим більше, що експериментатори не можуть з повною впевненістю сказати, що процеси зіткнень частинок, що призводять до утворення температур, що перевищують у 100 тисяч разів температуру нашого світила, не викличуть ланцюгової реакції всієї речовини планети?! Або просто викличуть здатну фатально зіпсувати відпочинок у горах Швейцарії або у французькій Рів'єрі.
Інформаційна диктатура
Навіщо потрібен великий адронний колайдер, коли людство неспроможна вирішити менш складні завдання? Спроба замовчування альтернативної думки лише підтверджує можливість непередбачуваності перебігу подій.
Напевно, там, де вперше з'явилася людина, у неї і було закладено цю двоїсту особливість - робити благо і шкодити собі одночасно. Можливо, нам відповідь дадуть відкриття, які подарує адронний колайдер? Навіщо потрібен був цей ризикований експеримент, вирішуватимуть уже наші нащадки.
