Стойка адронный коллайдер. Как устроен большой адронный коллайдер

Год назад, в рамках фестиваля «Весна науки», который ежегодно проходит в Льеже, мы с женой сконструировали механическую модель коллайдера элементарных частиц. Это очень простая модель, в которой катаются, сталкиваются и разлетаются металлические шарики. Но с помощью нее можно продемонстрировать с десяток физических явлений, которые происходят в реальных ускорителях и детекторах. Демонстрация модели школьникам шла на ура, они после объяснений сами лезли запускать шарики и регистрировать столкновения.

Сейчас у меня наконец-то дошли руки до того, чтоб снять ее в действии и рассказать, что интересного можно с помощью нее показывать.

Наша механическая модель состоит из С-образной трубы из плексигласа, металлической вставки хитрой формы, двух желобов, которые через окошки ведут в трубу, и поддона с мелким песочком, который играет роль детектора. Если одновременно отпустить два шарика, то, скатившись по желобам и влетев в кольцо, они столкнутся в центре металлической секции, вылетят наружу, и прочертят следы в тонком слое песка.

Все эти явления — чисто механические, здесь нет ни электричества, ни магнетизма, ни какого-то виртуального моделирования столкновений. Несмотря на кажущуюся примитивность, эта модель подкупает своей «настоящестью». Все явления происходят на наших глазах, они осязаемы — и тем не менее они в кое в чем похожи на процессы в реальных коллайдерах элементарных частиц.

Технические подробности

Если кто-то захочет самостоятельно сделать подобную модель, то вот несколько замечаний и советов.

1) Самая сложная в изготовлении часть — это труба. Мы заказывали ее в фирме, которая как раз гнет трубы из плексигласа. Главная трудность — сделать так, чтоб внутренняя поверхность была гладкой и ровной, без морщин. При таком соотнощении радиуса трубы и радиуса закругления это оказалось не так уж и просто, фирма сделала это вовсе не с первой попытки. Для примера выкладываю чертеж трубы с параметрами, которые я запросил у фирмы. Можно, конечно, сделать трубу из чего-то другого, надо только убедиться, что материал достаточно жесткий — иначе шарик не будет долго катиться (на нашей модели он делает 3-4 оборота, это достаточно для демонстрации).

2) В окрестности места столкновений труба должна быть максимально плоской, чтобы позволить частицам вылетать вбок без подпрыгивания. Поэтому центральная секция у нас выполнена в виде металлической вставки, которая вначале повторяет кривизну трубы, а к центру распрямляется. Поскольку нереально просчитать заранее все параметры, надо дать себе свободу действий для настройки этой секции. Кроме того, надо сделать так, чтобы на месте стыка трубы и вставки не было ступеньки.

3) Опять же, трудно заранее просчитать, под каким углом и с какой скоростью шарики должны влетать в трубу, чтобы попасть на хорошую траекторию и не вылететь в центральной секции. Здесь тоже надо предоставить себе свободу маневров, как по высоте, так и по углу. Мы использовали для этого липучки-велкро на концах желобов, на их держателе, и на окошках трубы.

Как же работает большой адронный коллайдер? В основе работы БАК, как и всех ускорителей, заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Как уже упоминалось, скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме . Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо.

Адронный коллайдер 2009

Всё кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов. Под воздействием магнитного поля элементарные частицы не улетают прочь по касательной, а остаются внутри кольца. Кроме того, специальные фокусирующие магниты не дают протонам во время движения колебаться в продольном направлении и задевать стенки вакуумной трубы, в которой осуществляется движение.

Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Магниты используются двух видов — квадропульные (392 шт.) и дипольные (1232 шт.). Именно дипольные магниты удерживают частицы, тогда как квадропульные магниты нужны для того, что бы максимально повысить шансы на взаимодействие частиц, которые может произойти в местах пересечения труб. Общий вес одного магнита составляет более 27 тонн.

Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для проведения в рабочее состояние их необходимо охлаждать до температуры 1,9 К (или -271,3 градуса по Цельсию). Это ниже, чем температура в открытом космическом пространстве (2,7 К или -270,5 градуса по Цельсию). Чтобы охладить 36800 тонн конструкции и получить космический холод в земных условиях, для БАК пришлось создать мощнейшую криогенную систему, содержащую более 40000 герметичных сварных швов, и использующую 10000 тонн жидкого азота и 130 тонн жидкого гелия.

В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. В точке столкновения протонов ожидается температура более чем в 100 тым. раз выше, чем в центре Солнца, при том, что сверхпроводящие магниты БАКе будут охлаждены до -271,3 градуса по Цельсию. Так что, можно сказать, БАК — это одновременно и самая горячая, и самая холодная машина в мире.

Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.

При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» — элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в будущем по тем же трубам будут ускорять не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.

Однако столкнуть две частицы «лоб в лоб» — это только половина дела. К сожалению, сегодня в распоряжении ученых нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму, которая исчезнет без следа через ничтожно короткий промежуток времени 10 (в минус 23 степени) секунды. О результатах эксперимента приходится судить по следам, оставленным частицами, родившимися в ходе эксперемаента. Для регистрации чатиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы — детекторы. Их шесть — ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (Yhe Large Hadron Collider beauty experiment), TOTEM (TOTal Elastic and diffraclive cross section Measurement) и LHCf (The Large Hadron Collider forward).

Адронный коллайдер 2010

Детектор под название ALICE предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы. Детекторы ATLAS и CMS, как надеются физики, смогут «поймать» бозон Хиггса и темную материю. Задача детекторы LHCb — исследование физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией. TOTEM — для изучения «несталкивающихся частиц» (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же «несталкивающихся частиц».

Количество информации, получаемой этими детекторами беспрецедентно велико, к тому же ее требуется передавать во все страны, где работают участники экспериментов. Поэтому в ЦЕРНе создается новая система для быстрого распространения огромных массивов данных — GRID. Эта система должна будет хранить и обсчитывать данные, получаемые с детекторов ускорителя. Поток данных будет достигать 15 млн. гигабайт в год, что соответствует стопке из 100 тыс. DVD. Возможно система GRID станет и прообразом нового Суперинтернета.Учитывая, что сам Интернет и Всемирная паутина родились, именно в ЦЕРНе. Здесь уже в 80-е годы стала насущной задача быстрой передачи больших международных коллективов ученых, разбросанных по все континентам. В результате в ЦЕРНе был впервые создан прототип Всемирной паутины и разработано соответствующее программное обеспечение.

Техноплаза-Сибирь: ремонт техники , ремонт грузовых автомобилей , ремонт легковых автомобилей в Новосибирске

Продолжу свой рассказ про посещение дня открытых дверей в CERN.

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.

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.

Вы уже наверное в курсе, что ученые Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) обнаружили признаки существования так называемой "божественной частицы" - бозона Хиггса. Давайте посмотрим как это было.

4 июля 2012 учеными из европейского центра ядерных исследований ЦЕРН в Швейцарии обнаружили бозон Хиггса — субатомную частицу, называемую «частицей бога» . Поиски «божественной» частицей велись почти 50 лет. Обнаружить бозон Хиггса удалось во время экспериментов на Большом адронном коллайдере, основные кольца ускорителя которого находятся в 27-километровом подземном тоннеле.

Бозон Хиггса является важнейшим элементом Стандартной модели — физической теории, описывающей взаимодействие всех элементарных частиц: он объясняет наличие такого явления как масса.

Познакомимся поближе с фантастической машиной, стоимостью до 6 млрд долларов, которая обнаружила бозон Хиггса. Добро пожаловать в мир субатомных частиц!

На фотографии: Английский физик-теоретик , член Королевского Общества Эдинбурга Питер В. Хиггс . Это он в 60-е годы предсказал существование бозона Хиггса, который отвечает за массу всех элементарных частиц.

В своих выступлениях Питер заявлял, что если бозон не будет обнаружен, это будет означать, что он и многие другие физики больше не понимают как взаимодействуют элементарные частицы. Частица Хиггса настолько важна, что американский физик, нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал ее «частицей бога».

Итак, как уже говорилось, бозон Хиггса был обнаружен во время экспериментов на Большом адронном коллайдере. Он был построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН) недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции. (Фото Anja Niedringhaus | AP):

Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире . Это гигантский ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов. Посмотрим, как он создавался. На фотографии: идет прокладка туннеля под землёй на территории Франции и Швейцарии с длиной окружности почти 27 км, 2000-й год. Глубина нахождения туннеля - от 50 до 175 метров. (Фото Laurent Guiraud | © 2012 CERN):

В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран, в том числе и из России. На фотографии: идет монтаж торцевого адронного калориметра детектора ATLAS , который как раз и предназначен для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности темной материи. Всего на Большом адронном коллайдере работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора. 12 августа 2003 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Большим коллайдер назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 метров. Объезжать 27-километровый подземный тоннель , предназначенный для размещения кольцевого ускорителя, лучше всего на транспорте, 24 октября 2005 год. (Фото Laurent Guiraud | © 2012 CERN):

Электромагнитный калориметр - прибор, который измеряет энергию частиц. В собранном виде представляет собой стену высотой более 6 метров и 7 метров в ширину. Состоит из 3 300 блоков. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Идея строительство Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году. На фотографии: кольцевой ускоритель Большого адронного коллайдера, находящейся в подземном тоннеле прямо под Международным женевским аэропортом, 31 мая 2007 года. (Фото Keystone, Martial Trezzini | AP):

Основной целью строительства Большого адронного коллайдера было уточнение или опровержение Стандартной модели - теоретической конструкции в физике, формирование которой было завершено в 1960-1970-х годах, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного): сильное, слабое и электромагнитное. Главной задачей Большого адронного коллайдера было экспериментально доказать существование бозона Хиггса. Он был обнаружен 4 июля 2012.

Это составная часть ALICE - одной из шести экспериментальных установок, сооруженных на Большом адронном коллайдере. 3 584 кристаллов вольфрамата свинца. ALICE оптимизирована для изучения столкновений тяжелых ионов. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Официальный запуск коллайдера был произведен 10 сентября 2008 года. Данные, поступающие с Большого адронного коллайдера, обрабатываются в 140 дата-центрах, расположенных в 33 странах по всему миру. Ежегодно приходится обрабатывать 15 миллионов гигабайт данных! На фотографии: дата-центр в Женеве, 3 октября 2008 года. (Фото Valentin Flauraud | Reuters):

Детектор ATLAS во время сборки 11 ноября 2005 года. Общие размеры детектора ATLAS: длина - 46 метров, диаметр - 25 метров, общий вес - около 7 000 тонн. На этом детекторе проводят одноименный эксперимент, предназначенный для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, в том числе и только что обнаруженного бозона Хиггса. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Компактный мюонный соленоид - один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц, созданных в Европейском центре ядерных исследований и предназначенный для исследования свойств микромира. Он расположен в подземной пещере внушительных размеров: 53 метров в длину, 27 метров в ширину и 24 метров в высоту. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

27-километровый подземный тоннель содержит две трубы, которые идут параллельно и пересекаются лишь в местах расположения детекторов.

На фотографии: линейный ускоритель низкоэнергетических частиц Linac2 , расположенный подземном тоннеле. Всего Большой адронный коллайдер имеет шесть главных ускорителей. (Фото Keystone, Martial Trezzin | AP):

Внутренний детектор ATLAS , 23 августа 2006 года. Детектор производит огромное количество информации - около 1 Пбайт = 1 024 Тбайт «сырых» данных в секунду! (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):

В 2009 году стоимость Большого адронного коллайдера оценивалась от 3.2 до 6.4 млрд евро, что делало его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества .

Вокруг Большого адронного коллайдера ходило много слухов. Например, что он представляет огромную опасность для человечества, и его запуск может привести к концу света . Поводом стали заявления ученых о том, что в результате столкновений частиц в коллайдере могут якобы образоваться микроскопические черные дыры: после этого появились мнения, что в них может «засосать» всю нашу Землю.

Также, высказывались опасения, что обнаружение бозона Хиггса вызовет бесконтрольный рост массы во Вселенной. Появился даже анекдот: «У физиков есть традиция - один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать адронный коллайдер». Причина слухов оказалась банальной: слова ученых были искажены и неверно интерпретированы журналистами. (Фото Michael Hoch | © 2012 CERN):

Еще больше. После окончания сеанса работы в 2012 году коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно будет длиться не менее полутора лет и займёт весь 2013 года. Некоторые ученые из США и Японии предлагают после окончания работы над Большим адронным коллайдером начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером.

На фотографии: восемь труб – это магниты, окружающие калориметра. Вся эта огромная конструкция является частью одного из детекторов частиц Большого адронного коллайдера. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

По мнению учёных, обнаруженный бозон Хиггса может пролить свет на происхождение Вселенной и понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва. (Фото CERN | AP):

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии - ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.