Големият адронен колайдер (LHC) — най-големият ускорител на частици на ЦЕРН
Открийте Големият адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН — най-големият ускорител на частици: сблъсъци на протони, ключови експерименти за произхода на Вселената и структурата на материята.
Големият адронен колайдер (LHC) е най-големият и най-мощен ускорител на частици в света. Построен е от Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН). Представлява гигантски кръгъл тунел, построен под земята. Дължината на тунела е 17 мили (27 километра), а дълбочината му е между 50 и 175 метра под земята. Намира се под границата на Швейцария и Франция. В осъществяването на този проект са работили заедно 10 000 учени и инженери от над 100 различни държави, а изграждането му е струвало 10,4 милиарда швейцарски франка (10 милиарда долара). Сега това е най-голямото и най-сложно съоръжение за експериментални изследвания в света.
Както показва името му, изследванията в LHC са свързани със сблъсък на адрони. Хадронът е частица, която се състои от няколко кварка, свързани помежду си от субатомната силна сила. Протоните и неутроните са примери за адрон. LHC използва предимно сблъсъка на протони в своите експерименти. Протоните са части на атомите с положителен заряд. LHC ускорява тези протони през тунела, докато те достигнат почти скоростта на светлината. Различните протони се насочват през тунела в противоположни посоки. Когато се сблъскат, те създават условия, подобни на тези в ранната Вселена.
LHC се опитва да изучава елементарните частици и начините, по които те си взаимодействат. Изследователите са го използвали, за да се запознаят с квантовата физика, и се надяват да научат много повече за структурата на пространството и времето. Наблюденията, които изследователите могат да направят, могат да ни помогнат да научим как е изглеждала Вселената в рамките на милисекунди след Големия взрив.
Основни характеристики и инфраструктура
LHC представлява сложна система от магнитни секции, ускорителни кухини и детектори. Тунелът с дължина 27 километра съдържа около 1232 свръхпроводящи диполни магнита, които огъват и насочват лъчите. Тези магнити работят при температури от приблизително 1,9 K (използва се суперфлуиден хелий), което ги прави по-ефективни и позволява да се постигнат магнитни полета от порядъка на няколко тесла.
През тунела преминават два отделни лъча (beam), които се ускоряват в противоположни посоки и се срещат в точките, където са разположени експерименталните детектори. Конструкцията включва и цял набор от инжекторни ускорители (LINAC, Booster, Proton Synchrotron и Super Proton Synchrotron), които постепенно увеличават енергията на частиците преди вкарването им в основния пръстен.
Как работи LHC — сблъсъци и измервания
Протоните се групират в „пакетчета“ (bunches) и се ускоряват до енергии от порядъка на няколко тераелектронволта (TeV) на сноп. Дизайнерската енергия на LHC за център на масите (center-of-mass) е 14 TeV, като в реалните експериментални периоди са използвани стойности като 13 TeV (Run 2) и 13,6 TeV (Run 3). При сблъсък на два снопа се освобождава енергия, от която могат да се произведат редица частици — някои добре познати, други много редки или до момента неоткрити.
Детекторите около точките на сблъсък регистрират траектории, енергии и идентичности на произведените частици. С помощта на тези данни учените реконструират процесите и търсят нови явления: нови частици, аномалии във взаимодействията, свойства на известните частици и др.
Основни детектори и ключови открития
- ATLAS и CMS — два големи общо предназначени детектора, които измерват широк спектър от процеси; именно те съвместно обявиха откриването на бозона на Хигс през 2012 г.
- ALICE — специализиран в изследване на тежки йонни сблъсъци (напр. олово-олово) с цел да създаде и изучи кварк-глуонна плазма — състояние на материята, смятано за налично в ранната Вселена.
- LHCb — изучава нарушения в симетрията между материя и антиматерия (счита се важен за разбирането защо Вселената е доминирана от материя) и свойства на „b“-кварковете.
- Има и по-малки експерименти (например TOTEM, LHCf, MoEDAL), насочени към специфични проблеми като изучаване на дифракция, космично-физиески процеси и търсене на екзотични частици.
Изчисления и обработка на данни
Експериментите на LHC генерират огромни обеми от данни — десетки петабайта годишно. За обработката и анализа на тази информация е създадена глобална компютърна инфраструктура, известна като Worldwide LHC Computing Grid (WLCG), която свързва центрове за обработка и съхранение на данни по целия свят. Учените използват мрежи и клъстери за извличане, филтриране и анализ на интересните събития от огромния „шум“ на данни.
Безопасност и обществено внимание
LHC привлича значителен обществен интерес и понякога и загриженост — например въпроси за създаване на миничерни дупки или други катастрофални явления. Провеждани са множество независими научни оценки и анализи, които стигат до еднозначния извод, че работата на LHC е безопасна. Естествените високоенергийни процеси (като взаимодействията на космични лъчи с атмосферата) са по-енергични и чести в природата, отколкото тези в ускорителя.
Бъдещи ъпгрейди и научни цели
Един от големите проекти за бъдещето е High-Luminosity LHC (HL-LHC), който има за цел значително да увеличи блясъка (luminosity) на ускорителя — това означава повече сблъсъци и по-голяма възможност за откриване на редки процеси. HL-LHC ще позволи на учените да измерват свойствата на известни частици (като бозона на Хигс) с по-голяма прецизност и да търсят още по-редки явления, които могат да дадат улики за нова физика извън Стандартния модел.
Защо LHC е важен
LHC не е само техническо постижение — той е инструмент за фундаментално знание. Чрез възстановяване на условия, близки до тези в първите моменти след Големия взрив, учените могат да проверяват теории за строежа на материята, генерирането на маса, симетриите на природата и произхода на Вселената. Открития като бозона на Хигс вече потвърдиха ключови части от съвременните физични модели; бъдещите експерименти може да донесат още изненади.
В заключение, LHC остава уникална в своето мащабно и мултидисциплинарно въздействие — от инженерни иновации и хладилни технологии до глобални изчислителни мрежи и нови открития във фундаменталната физика.
Карта на Големия адронен колайдер в ЦЕРН
Как работи
LHC йонизира водородни атоми, за да получи техните протони. Водородният атом се състои само от един протон и един електрон. Когато йонизират атомите, те премахват единия електрон, за да им придадат нетен положителен заряд. След това водородните протони се насочват през кръга с помощта на електромагнити. За да бъдат магнитите достатъчно силни, трябва да е много студено. Вътрешността на тунела се охлажда от течен хелий. Те поддържат температурата малко над абсолютната нула. Протоните се удрят един в друг със скорост, близка до тази на светлината, и се превръщат в енергия с помощта на E=mc2. След това тя се обръща и създава маса. На мястото на сблъсъка има четири слоя детектори. Експлозията преминава през всеки слой и всеки детектор записва различен етап от реакцията.
Когато частиците се удрят една в друга, енергията им се превръща в много различни частици, а чувствителни детектори следят създадените частици. Като разглеждат внимателно данните от детекторите, учените могат да изследват от какво са изградени частиците и как си взаимодействат. Това е единственият начин за откриване на някои частици, тъй като за създаването им е необходима много висока енергия. Сблъсъците на частици в LHC имат необходимата енергия.
LHC се състои от три основни части. Това са ускорителят на частици, четирите детектора и мрежата. Ускорителят създава сблъсъка, но резултатите не могат да се наблюдават директно. Детекторите ги превръщат в използваеми данни и ги изпращат в Мрежата. Мрежата е компютърна мрежа, която изследователите използват, за да интерпретират данните. Има 170 места в 36 различни държави, които са пълни с обикновени настолни компютри. Всички тези компютри са свързани и заедно действат като суперкомпютър. Мрежата на LHC се смята за най-мощния суперкомпютър, създаван някога. Компютрите споделят изчислителна мощност и пространство за съхранение на данни.
Мрежата е много мощна, но е в състояние да приеме само около един процент от данните, които получава от детекторите. Ограниченията ѝ мотивират опитите за създаване на квантови компютри, които биха могли да използват наученото от LHC за квантовата механика, за да се създадат по-бързи компютри.
Учените използваха LHC, за да открият Хигс бозона - частица, чието съществуване е предсказано от Стандартния модел.
Някои хора смятаха, че LHC може да създаде черна дупка, което би било много опасно. Има две причини да не се притесняваме. Първата е, че LHC не е направил нищо, което да не правят космическите лъчи, които удрят Земята всеки ден, а тези лъчи не създават черни дупки. Втората причина е, че дори и LHC да създаде черни дупки, те ще бъдат много малки. Колкото по-малка е една черна дупка, толкова по-кратък е нейният живот. Много малките черни дупки биха се изпарили, преди да могат да навредят на хората.
LHC е използван за първи път на 10 септември 2008 г., но не работи, тъй като се е повредила охладителната система. Магнитите, които помагат за преместването на заредените частици, трябва да са студени. Повредата доведе до срутване на част от съоръжението. Лабораторията беше затворена за зимата и колайдерът беше използван отново едва през ноември 2009 г. Докато той се ремонтираше, учените използваха Теватрон, за да търсят Хигс бозона. Когато през ноември 2009 г. LHC беше пуснат отново, той постави нов рекорд по скорост, като ускори протони до 1,18 TeV (тераелектронволт или трилион електронволт). На 30 март 2010 г. LHC създаде сблъсък при 3,5 TeV.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява Големият адронен колайдер (LHC)?
О: LHC е най-големият и най-мощен ускорител на частици в света. Той е построен от Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) и представлява гигантски кръгъл тунел, построен под земята.
В: Къде се намира LHC?
О: LHC се намира под границата на Швейцария и Франция, като тунелът му е дълъг 17 мили (27 километра) и се намира на дълбочина между 50 и 175 метра под земята.
В: Кой работи по изграждането на проекта?
О: 10 000 учени и инженери от над 100 различни държави работиха заедно, за да изградят този проект.
В: Колко струваше изграждането на проекта?
О: Проектът струваше 10,4 милиарда швейцарски франка (10 милиарда долара).
В: Какви частици се използват в експериментите в LHC?
О: При експериментите в LHC се използват предимно протони. Протоните са части от атоми с положителен заряд, които се ускоряват през тунела, докато достигнат почти скоростта на светлината.
В: Какво се надяват да научат изследователите от използването на това съоръжение? О: Изследователите се надяват да научат повече за квантовата физика, както и да получат представа за това, какви са били пространството и времето в рамките на милисекунди след Големия взрив.
обискирам