Испытания адронного коллайдера. Большой адронный коллайдер получил важное обновление

В 2008 году был запущен один из самых дорогостоящих научных проектов мира - Большой Адронный Коллайдер. Мощность, потребляемая от сети, этого коллайдера просто невообразима - достаточно сказать, что Франция, по чьей территории проходит часть этого коллайдера (другая часть проходит по территории Швейцарии), предоставила в распоряжение физикам мощность одной из своих АЭС для работы.

Цена этой машины кажется фантастической - она составляет более 10 млрд.долларов. Строился же этот самый большой в мире коллайдер целых 24 года.

Родился БАК или, как его называют на Западе, LHC - Large Hadron Collider появилась в 1984 году. Строительство его началось почти сразу, еще до того момента, как в 1994 году Европейский Совет одобрил создание этого проекта (при такой стоимости сразу же стало очевидно, что ни одна страна в мире подобный ускоритель "не потянет", возможно только мировое сотрудничество). Длина LHC (эл-эйч-си) 26.7 километров и расположен он на месте предыдущего одного из самых больших мировых ускорителей - LEP (Large Lepton Collider). Из названия видно, что поменялся тип ускоряемых частиц. Если в LEP ускорялись электроны (одни из легчайших лептонов, т.е. частиц, участвующих в электромагнитном и слабом взаимодействиях), то в LHC будут ускоряться адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии (протоны).

Всего в мире существует четыре типа взаимодействий: гравитационное, которое удерживает наши планеты на месте, сильное, которое удерживает как одно целое ядра атомов, электромагнитное, вызывающее притягивание полюсов магнита или зарядов разных знаков, и, наконец, слабое, которое вызывает распад частиц "самих по себе", что приводит, например, к существованию так называемой бета-радиоактивности, когда из распадающегося изотопа атома вылетает электрон или позитрон.

Энергия протонов LHC будет самой высокой в мире - 14 ТэВ (14 тераэлектрон вольт или 14 000 000 000 000 эВ) и сталкиваться они будут с ядрами свинца, которые в свою очередь будут разогнаны до энергии 5.5 ГэВ (5.5 гигаэлектронвольт или 5 500 000 000). Это на порядок больше, чем самый высокоэнергетичный ускоритель сегодняшнего дня - Тэватрон, который расположен в Национальной лаборатории им. Ферми в Брукхейвене (США).

LHC расположен чуть наклонно на естественной скальной плите, проходящей по территории Франции и Швейцарии. Это позволяет обеспечить высокую сейсмическую стабильность работы ускорителя, для выставки многотонных магнитов которого относительно друг друга требовалась точность лучше 5 микрон. Глубина туннеля 100 метров.

"Владельцем" LHC является Центр Европейских Ядерных Исследований (ЦЕРН или CERN от французского Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire).

Слова "ускоритель" и "коллайдер" означают, что на данной установке будет реализован так называемый метод встречных пучков, разработанный в США и СССР одновременно. При этом первые пучки одного знака заряда - электрон-электронные впервые встретились в США, в то время как пучки разных знаков заряда, т.е. материя и антиматерия впервые встретились на ускорителе ВЭП-1, созданном в Институте Ядерной Физики в г.Новосибирске.

Суть метода в том, что пучок частиц "летает" со скоростью, всего лишь на миллионные и миллиардные доли отличающейся от скорости света, внутри ваккуумной камеры ускорителя и сталкиваются в одном месте. При этом вещество и антивещество аннигилируют, и их энергия полностью переходит в энергию для рождения новых частиц. Так изучается мир элементарных частиц. Позже оказалось, что можно встречать любые частицы одного типа (главное, чтобы они были заряженными) с любыми другими частицами (тоже заряженными). После этого начали ускорять протоны, антипротоны и просто ядра различных элементов, у которых полностью или частично "ободраны" электронные оболочки, так что остается только ядро атома.

Главная научная задача LHC и четырех его детекторов (тоже самых больших в мире) - поиск так называемых суперсимметричных частиц. Известно, что еще в начале 20 века была выдвинута гипотеза, что все четыре типа взаимодействия когда-то были едины (эта гипотеза называется теория единого поля), но, по мере остывания Вселенной, стали постепенно "расходиться" друг от друга так, что сейчас осталось четыре разных типа.

Уже доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны между собой - об этом говорит так называемая теория Вайнберга-Салама, которая и описывает электрослабое взаимодействие. Существует и дальнейшая гипотеза (названная Стандартной Моделью) о том, что сильное взаимодействие объединено с электрослабым и именно этот факт призван доказать свежепостроенный ускоритель.

Вторая задача ускорителя - изучение частиц, содержащих так называемый "топ-кварк" (t-кварк). Если все вещество состоит из атомов, а те в свою очередь из ядра и электронов, то ядро состоит из нуклонов - протонов и нейтронов. Существуют и другие тяжелые частицы, похожие на протоны и нейтроны. Объединяет их то, что состоят они из шести типов кварков (и 6 антикварков им соответствующих). Самый тяжелый кварк до сих пор не поддавался изучению в силу того, что для его рождения у нас было недостаточно энергии. Существуют прогнозы того, что топ-кварк будет способствовать рождению так называемых Хиггсовских бозонов, которые и будут прямым подтверждением суперсимметричной теории и Стандартной Модели. Распад Хиггсовского бозона может подсказать направления дальнейшего исследования мира, в частности попытки объединения всех четырех взаимодействий в одно целое - состояние, которое было во Вселенной только в момент Большого Взрыва.

Третья задача ускорителя - изучение так называемой кварк-глюонной плазмы, т.е состояния, когда ядерное вещество практически слипается в один невероятно плотный и горячий комок. Понимание процессов, происходящих там, будут способствовать построению теории сильного взаимодействия, которой до сих пор не существует в удовлетворяющем физиков состоянии математической строгости. Это может существенно продвинуть нас в понимании как ядерных процессов и физики образования различных тяжелых элементов во Вселенной, так и астрофизических процессов.

Четвертая задача ускорителя - изучение фотон-фотонных столкновений. Дело тут вот в чем. Фотоны, наравне с электронами и позитронами, участвуют как в электромагнитных, так и в электрослабых взаимодействиях. При этом они не имеют заряда, поэтому оказываются как бы лучшими инструментами проникновения вглубь материи (они не испытывают отталкиваний или притяжений). В ситуации, когда начнут сталкиваться ядра и ядерная материя, поток фотонов будет чрезвычайно большим и это повысит их вероятность столкнуться со встречным таким же фотоном до измеряемых величин. Мы сможем изучать как взаимодействия фотонов с адронами, так и взаимодействия самих фотонов высокой энергии друг с другом, что до сих пор также не поддавалось изучению из-за низкой вероятности взаимодействия и трудностей получения высокоэнергетических плотных пучков фотонов.

Еще одна задача коллайдера - экзотические процессы, в том числе и рождение микроскопических черных дыр, которые не несут никакой угрозы миру, вопреки предсказаниям дилетантов разных мастей. Дело в том, что существующие гипотезы об объединении всех четырех взаимодействий предсказывают, что, если черная дыра может образоваться в подобном столкновении, то она тоже распадется (и прекратит свое существование), породив огромный поток частиц. Его можно пробовать искать и наблюдать и, если что-то похожее увидят детекторы, можно будет сделать какие-то выводы в пользу тех или иных гипотез теории единого поля.

Для обработки данных, которые будут поступать с четырех детекторов пришлось придумать новый протокол обмена данными (как когда-то в аналогичной задаче на LEP пришлось придумать протокол http) и распределенную вычислительную сеть LCG (LHC Computing GRID). Информация пойдет по почти 100 млн. каналам данных, что дает невозможность прямой обработки данных. На все эти события накладываются несколько "масок", т.е. требований на одновременное свершение нескольких действий (например, нас интересуют все события, где появилось четыре трека из центра и два - насквозь детектора), остальные отбрасываются. Такая обработка называется триггерной и триггер детекторов LHC будет состоять из 3-4 ступеней. Обработка данных на последней, уже оффлайновой ступени будет идти не только на тысячах компьютеров ЦЕРНа, связанных в одну цепь, но и на машинах многих научных центров мира. Это и называется распределенная вычислительная сеть (GRID), которая уже будет объединять десятки тысяч машин по всему миру (это потребовало создание нового протокола обмена данными и так называемого "Интернета-2").

С момента раскрытия информации о целях строительства, устройстве и схеме действия адронного коллайдера появлялась масса догадок о последствиях, к которым могут привести подобные исследования. Запуск коллайдера был точкой во времени, которая могла бы разделить историю на "до" и "после". Предугадать, как повела бы себя материя в неестественных для земных условий обстоятельствах, не могли даже светлейшие умы. Массу невероятных теорий и догадок породил большой адронный коллайдер, последние новости о котором можно найти в этом разделе.

Портал в другие миры

Один из успешных запусков коллайдера дал неожиданный результат, открыв портал в другой мир. В процессе столкновения частиц в небе над местом проведения эксперимента образовались облака необычного пунцового цвета, начался вихрь, напоминающий портал. Адронный коллайдер проектировался для контролируемого образования уменьшенных версий черных дыр путем столкновения протонов и ионов. Добились ли ученые своей цели или "портал" был всего лишь совпадением, доподлинно неизвестно.

Известно, что в ближайшем будущем появится адронный коллайдер в России , мощность которого в 100 раз будет превышать возможности первого проекта. Предварительные фото коллайдера, возводимого в РФ, потрясают своим масштабом. Сложно предугадать, к каким последствиям приведут опыты на новом БАК. Всем, кто интересуется исследованиями в области физики, рекомендуем посмотреть видео коллайдера в действии.

Данное событие знаменует собой начало очередного "сезона" работы коллайдера, которые следует за периодом технической остановки, длившегося в данном случае 17 недель. В течение прошлого месяца специалисты Европейской организации ядерных исследований CERN занимались завершением регламентных работ и обслуживания оборудования коллайдера, которые были начаты в декабре 2016 года. На прошедших выходных были выполнены окончательные проверки работоспособности каждого отдельного узла и всего коллайдера в целом, и 1 мая группа управления коллайдером осуществила его полноценный запуск.

Напомним нашим читателям, что Большой Адронный Коллайдер останавливается каждую зиму на своего рода "каникулы", в течение которых инженеры и обслуживающий персонал производят крупномасштабные ремонтные работы и работы по модернизации оборудования. Период "каникул" в этом году был длиннее, чем в предыдущих годах, что дало инженерам возможность произвести более сложные работы. К этим работам относится замена некоторых секций сверхпроводящих магнитов, установка нового поглотителя и устройства фокусировки в синхротроне Super Proton Synchrotron, замена достаточно большого количества электрических кабелей.

Произведенные за каникулы модернизации позволят коллайдеру вырабатывать лучи протонов большей яркости, что, в свою очередь, позволит ученым наблюдать за достаточно редкими процессами. "Нашей целью является достижение интегрированной яркости в 45 фемтобарнов^-1 (в прошлом году интегрированная яркость составляла 40 фемтобарнов^-1)" - рассказывает Ренде Штееренберг (Rende Steerenberg), глава группы, осуществляющей управление работой коллайдера, - "Яркость можно увеличить разными способами. Можно просто "загнать" больше лучей протонов в одну точку пространства, а можно и увеличить плотность одного луча. Эти два способа дают разные результаты по стабильности луча, и мы еще не знаем, какой из способов будет самым приемлемым".

В 2016 году коллайдер смог обеспечить стабильность лучей протонов, при которой становится возможным проведение экспериментов и сбор данных, в 49 процентах от общего времени работы ускорителя. А в позапрошлом году этот показатель составлял около 35 процентов. В ходе нынешнего этапа работы коллайдера исследователи планируют еще больше увеличить данный показатель.

В течение первых недель работы в недрах коллайдера будет циркулировать несколько лучей протонов, которые будут использоваться дли проверки работоспособности и калибровки оборудования. Затем количество протонов в ускорителе будет постепенно повышаться, пока их количества не станет достаточным для начала проведения первых столкновений и начала сбора научных данных.

Большой адронный коллайдер , сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран. "Большим" назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; "адронным" - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; "коллайдером" (англ. collider - сталкиватель) - из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Одно из первых столкновений 2017 года в детекторе ATLAS

23 мая в Большом адронном коллайдере прошли первые в 2017 году столкновения протонов в рамках научной программы коллайдера. Завершена калибровка детекторов и тысяч подсистем крупнейшего ускорителя в мире после зимнего перерыва. Ожидается, что в следующие шесть месяцев коллайдер удвоит объем статистики столкновений при энергии 13 тераэлектронвольт. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.

Каждую зиму коллайдер прерывает свою работу для обновления и ремонта систем ускорителя и детекторов. Несколько недель уходит у инженеров на последующий запуск БАК. Так, в этом году первые протонные пучки появились в ускорителе 29 апреля - инженеры проверили работоспособность радиочастотных резонаторов, ответственных за ускорение частиц и постепенно подняли кинетическую энергию частиц до требуемых 6,5 тераэлектронвольт (в 6,5 тысяч раз больше, чем энергия покоя протона). Физики настроили магниты и коллиматоры, корректирующие форму и траекторию пучка и обеспечивающие столкновения между встречными пучками.

С 10 мая начались столкновения в точках пересечения пучков - основных детекторах БАК: ATLAS, LHCb, CMS и ALICE. Главная задача предварительных столкновений - проверка управляемости пучков и тестирование систем детекторов, в частности, корректировка положения точки, в которой пучки сталкиваются. Во время предварительных столкновений используются пучки, состоящие из небольшого количества сгустков (около десяти против более двух тысяч) и гораздо меньшего количества протонов, чем во время сбора научных данных.

Сейчас интенсивность пучков также невелика. Постепенно физики будут наращивать количество протонов в сгустках и делать сгустки плотнее - это ускорит темпы столкновений протонов и сбора статистики. В 2016 году ученые набрали интегральную светимость около 40 обратных фемтобарн - эта величина, согласно пресс-релизу организации, соответствует 6,5 миллионам миллиардов столкновений протонов. По плану на 2017 год ожидается интегральная светимость установки по меньшей мере в 45 обратных фемтобарн. Для сравнения, в 2015 году коллайдер обеспечил интегральную светимость около 4,2 обратных фемтобарн, а за 2012 год Run 1 - 23 обратных фемтобарн.

Одно из первых столкновений в детекторе CMS

В отличие от 2015 и 2016 года, в конце нового сезона работы ускорителя не будет сеанса столкновений с ионами свинца для генерации кварк-глюонной плазмы. Это состояние вещества, моделирующее первые минуты жизни Вселенной. Вместо этого детектор ALICE продолжит обработку данных прошлых лет и будет собирать информацию о протон-протонных столкновениях. Недавно физики о том, что несмотря на небольшую массу протонов, в их столкновениях тоже может образовываться кварк-глюонная плазма.

CMS и ATLAS продолжат исследования свойств бозона Хиггса, открытого в 2012 году. Эксперименты определят параметры рождения и каналов распада частицы, а также то, как она взаимодействует с другими частицами. Кроме того, вместе с экспериментом LHCb (наше интервью с руководителями коллаборации можно прочесть ), физики продолжат анализировать редкие и экзотические процессы в поисках следов Новой физики.

Увеличив объем статистики ученые смогут узнать природу необычных пиков высокоэнергетических событий, которые могут указывать на новые, еще не открытые частицы. К примеру, недавно ATLAS об избытке рождения пар бозон Хиггса-бозон слабого взаимодействия с суммарной энергией три тераэлектронвольта. Статистическая значимость события невелика - не превышает 3,3 сигма, но если его источником окажется реальная частица, то ее масса будет в десятки раз больше, чем у любой из известных элементарных частиц.

Владимир Королёв

СМИ не определились, ждет планету уничтожение или вторжение демонов

Ряд средств массовой информации в очередной раз облетела новость, что физики, работающие в Европейской организации по ядерным исследованиям, своими экспериментами, касающимися Большого адронного коллайдера уже в самое ближайшее время спровоцируют конец света. При этом апокалипсис, по версии СМИ, должен принять форму огромной черной дыры, которая засосет нашу галактику, или же нашествия демонов из параллельных миров.

Согласно распространяющемуся слуху, чёрная дыра или таинственный портал должны появиться в результате запуска нового ускорителя частиц. В некоторых СМИ даже содержатся утверждения, что учёные хотят открыть портал в параллельные миры намеренно. Естественно, на официальном сайте CERN и в научных изданиях информации такого рода не содержится.

По всей вероятности, речь в сообщениях идёт о под названием LINAC-4. Напомним, многие его элементы были разработаны и изготовлены российскими специалистами, а также в его разработке принимали участие учёные из ряда европейских стран. Новая установка, как ожидается, позволит значительно увеличить производительность Большого адронного коллайдера. Запущен LINAC-4 был 9 мая, пусть в некоторых сообщениях упоминается, что работать он должен начать сегодня.

Слухи о том, что испытания мощного ускорителя частиц чреваты глобальным катаклизмом, время от времени звучат с начала века, когда началось строительство Большого адронного коллайдера. Впрочем, серьёзные специалисты относятся к подобным сообщениям весьма скептически. На данный момент все открытия, совершённые с помощью БАК, представляют собой пусть весьма любопытные, особенно для учёных, но ни в коей мере не мистические явления. Наиболее значимым из достижений, полученных с помощью коллайдера, остаётся открытие бозона Хиггса - частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели и долгое время представлявшего собой нечто вроде её "недостающего элемента. Зафиксировать бозон удалось в 2012 году.

В исследованиях, проводимых с помощью коллайдера, за время его существования приняли участие более 10 тысяч учёных и инженеров из 100 с лишним стран.

Материал из архива журнала Uleyrus. Цены, нормы и модели техники меняются: перед покупкой и работами сверяйтесь с инструкцией производителя и официальными источниками. Нашли ошибку - напишите на admin@uleyrus.cc.