Pemecut Proton: sejarah penciptaan, peringkat pembangunan, teknologi baharu, pelancaran collider, penemuan dan ramalan untuk masa hadapan. Apakah collider dan mengapa ia diperlukan?

Terdapat dua jenis pemasangan pemecut: pemecut dengan sasaran pegun dan pemecut dengan rasuk berlanggar(atau pelanggar). Dalam pemecut jenis pertama, zarah, selepas pecutan, dikeluarkan dari ruang pecutan dan diarahkan ke sasaran pegun, sebagai contoh, plat logam. Dalam kes ini, tidak semua tenaga kinetik zarah dipercepatkan boleh "dilaburkan" dalam proses yang sedang dikaji, contohnya, dalam pengujaan dalaman nukleus atom atau zarah sasaran atau dalam kelahiran zarah baru, kerana ketara, dan selalunya menggembirakan, sebahagian daripada tenaga ini tidak boleh "dialihkan" daripada zarah, kerana ia pergi untuk "memastikan" pemenuhan undang-undang pemuliharaan momentum - momentum besar zarah sebelum perlanggaran mesti dikekalkan dalam bentuk momentum yang besar (dan oleh itu tenaga kinetik) hasil tindak balas.
Anggaran khusus (lihat tenaga setara) membolehkan kita melihat perbezaan besar antara tenaga kinetik, contohnya, proton dalam pemecut dengan sasaran pegun dan dengan rasuk berlanggar, yang diperlukan untuk penghasilan zarah berjisim besar.

Kelebihan tenaga yang besar bagi pemecut rasuk berlanggar telah menjadikan mereka sifat yang sangat diperlukan untuk pusat penyelidikan fizik moden terkemuka zarah asas. Terdapat dua skim utama untuk melaksanakan colliders (Rajah 1). Jika rasuk berlanggar terdiri daripada zarah yang mempunyai jisim dan cas yang sama dengan tanda bertentangan (iaitu antizarah, contohnya, elektron-positron atau proton-antiproton), maka satu cincin magnet digunakan untuk kedua-dua rasuk (Rajah 1). b). Pada beberapa titik gelang ini terdapat kawasan interaksi rasuk kaunter dipercepatkan. Jika zarah yang bertentangan mempunyai cas yang sama atau jisim yang berbeza (contohnya, proton-proton atau elektron-antiproton), maka dua cincin magnet diperlukan dan di beberapa tempat kawasan perlanggaran (persilangan) rasuk dicipta (Rajah 1). A).
Dalam rasuk kaunter bergerak ke arah satu sama lain, bilangan maksimum zarah yang mungkin terkumpul (sehingga 10 15 dalam rasuk). Walau bagaimanapun, ketumpatan zarah terkumpul adalah kecil dan sedikit zarah mengalami perlanggaran sebenar pada setiap putaran. Interaksi rasuk hampir tidak mengganggu dinamik gerakannya dalam gelang pemecut, dan rasuk boleh beredar dalam pemecut selama berjam-jam dan bahkan berhari-hari tanpa pengisian semula.
Ciri penting colliders ialah kecerahan, dilambangkan dengan huruf L(dari bahasa Inggeris Kecerahan).

Rasuk berlanggar terdiri daripada tandan zarah berasingan yang dipanggil dalam tandan(dari bahasa Inggeris sekumpulan), bergerak pada selang (frekuensi) tertentu satu demi satu. Mari kita pertimbangkan dua tandan silinder keratan rentas yang sama terbang ke arah satu sama lain dan kemudian berlanggar (Rajah 2). Kami akan mengandaikan bahawa tandan diisi secara seragam dengan zarah dan bertindih sepenuhnya apabila perlanggaran. Terdapat n 1 zarah dalam tandan kiri, dan n 2 dalam tandan kanan. Pertama, mari kita anggap bahawa dalam orbit pelanggar tandan berlanggar sekali setiap unit masa. Bilangan interaksi N 1 seunit masa antara zarah dua tandan ini (iaitu, bilangan peristiwa tindak balas per unit masa) boleh dikira menggunakan formula (2) daripada bahagian "Keratan rentas tindak balas", mengambil tandan kiri untuk peluru zarah, dan yang tepat untuk sasaran:

di manakah keratan rentas interaksi berkesan. Di sini diambil kira bahawa ketumpatan fluks zarah dari tandan kiri jatuh pada tandan kanan j = n 1 /S, dan jumlah bilangan zarah dalam tandan kanan (diambil sebagai sasaran) n 2 = nSl, di mana n ialah kepekatan zarah dalam tandan yang betul. Jika tandan berlanggar f kali seunit masa (iaitu, dengan frekuensi f), maka bilangan peristiwa tindak balas N akan diberikan oleh ungkapan

dan terdapat kecerahan collider.

Contoh. Dalam pelanggar TEVATRON, proton dan antiproton berlanggar dengan tenaga sebanyak 1 TeV. Berapakah bilangan tindakan interaksi mereka dalam 1 saat, jika keratan rentas bagi jumlah interaksi proton dan antiproton pada tenaga ini = 75 mb, dan kecerahan pelanggar ialah L = 5. 10 31 cm -2 saat -1 .

Kami menggunakan (2):

N = L = 5. 10 31 cm -2 saat -1. 75. 10 -27 cm -2 = 3.75. 10 6 saat -1 .

Senarai pelanggar utama diberikan dalam jadual.

Pemecut rasuk berlanggar (pelanggar)

Pemecut ialah kemudahan untuk mempercepatkan rasuk zarah asas; Pelanggar ialah sejenis pemecut di mana dua rasuk zarah dipercepatkan ke arah yang bertentangan dan berlanggar antara satu sama lain. Dalam terminologi Rusia, pelanggar juga dipanggil pemecut rasuk berlanggar.

Dari sudut pandangan tugas saintifik, pemecut itu sendiri hanya melakukan separuh kerja - ia hanya berlanggar zarah. Keputusan perlanggaran dikaji oleh pengesan zarah asas - pemasangan berbilang lapisan khas dipasang di sekitar titik perlanggaran. Kadangkala tandem "pemecut + pengesan" dipanggil pemecut; dalam kes ini, jika perlu untuk menekankan bahawa kita bercakap tentang pemecut dan bukan tentang pengesan, mereka sering menyebut "cincin pecutan". Halaman ini membincangkan secara khusus tentang struktur gelang pemecut LHC.

Pandangan umum

LHC ialah pelanggar kitaran (iaitu gelang); rasuk proton atau nukleus plumbum beredar di dalamnya secara berterusan, membuat lebih 10 ribu pusingan sesaat dan berlanggar dengan rasuk yang akan datang pada setiap bulatan. Dalam Rajah. Rajah 1 menunjukkan rajah susunan unsur-unsur utama gelang pemecut LHC.

Keseluruhan gelang LHC dibahagikan kepada lapan sektor, sempadannya ditandakan dengan mata dari 1 hingga 8. Dalam setiap bahagian (1–2, 2–3, dsb.) terdapat magnet dalam satu baris yang mengawal pancaran proton. Terima kasih kepada medan magnet magnet berputar, tandan proton tidak terbang secara tangen, tetapi sentiasa berputar, kekal di dalam gelang pemecut. Magnet ini membentuk orbit di mana proton bergerak. Di samping itu, magnet pemfokusan khas menghalang ayunan melintang proton berbanding dengan orbit "ideal", menghalangnya daripada menyentuh dinding tiub vakum yang agak sempit (berdiameter beberapa sentimeter).

Di dalam pemecut terdapat dua tiub vakum bersebelahan antara satu sama lain, di mana dua rasuk proton kaunter beredar, setiap satu ke arahnya sendiri. Kedua-dua tiub ini digabungkan menjadi satu sahaja di tempat yang ditetapkan khas - pada titik 1, 2, 5, 8. Pada titik ini, perlanggaran rasuk proton yang berlanggar berlaku, dan di sekelilingnya yang empat pengesan utama: dua yang besar - ATLAS dan CMS, dan dua yang sederhana - ALICE dan LHCb. Dua pengesan kecil khusus, TOTEM dan LHCf, juga dipasang berhampiran dua eksperimen besar.

Pada titik 4 ada bahagian pemecut. Di sinilah rasuk proton, apabila memecut, menerima tenaga tambahan dengan setiap revolusi. Pada titik 6 terdapat sistem pembuangan rasuk. Magnet pantas dipasang di sini, yang, jika perlu, memimpin rasuk melalui saluran khas dari pemecut. Sistem pembersihan rasuk dipasang pada titik 3 dan 7; selain itu, ruang ini dikhaskan untuk kemungkinan eksperimen masa hadapan.

Rasuk Proton memasuki LHC dari prapemecut SPS. Talian penghantaran rasuk (Tl2 dan Tl8) yang menghubungkan kedua-dua pemecut gelang ini, bersama-sama dengan magnet khas pada setiap satu daripadanya, bersama-sama membentuk kompleks suntikan LHC collider (daripada perkataan "suntikan" - suntikan rasuk). Oleh kerana pancaran SPS berputar hanya dalam satu arah, kompleks suntikan terdiri daripada dua garisan dan mempunyai rupa yang tidak simetri. Proton memasuki gelang pemecut SPS dari sumber melalui rangkaian pemecut yang lebih kecil.

Sistem magnetik LHC

Seperti mana-mana badan, sekumpulan zarah asas, dibiarkan pada perantinya sendiri, akan bergerak secara rectilinear dan seragam. Untuk mengekalkannya pada laluan bulat di dalam pemecut (dan juga untuk mengelakkannya daripada jatuh ke bawah di bawah pengaruh graviti), adalah perlu untuk sentiasa mempengaruhi rasuk dengan medan magnet.

LHC menggunakan beberapa ribu magnet untuk mengawal rasuk untuk pelbagai tujuan. Ia adalah bahagian paling penting (dan paling mahal) dalam pemecut. Trajektori rasuk dikawal oleh magnet lentur, yang sedikit memutar rasuk terbang melaluinya dan menahannya di dalam tiub vakum anulus. Terdapat juga magnet pemfokus yang menghalang rasuk daripada merebak, dan pelbagai magnet pembetulan. Magnet pantas khas dipasang pada suntikan rasuk dan titik pelepasan.

Kompleks suntikan

Proton tiba di LHC dari prapemecut SPS (Super Proton Synchrotron). Terdapat dua talian penghantaran rasuk yang meninggalkan SPS di dua lokasi dan menghampiri gelang pemecut LHC berhampiran titik 2 dan 8 (talian ini dipanggil Tl2 dan Tl8). Kompleks suntikan adalah struktur kejuruteraan yang kompleks, prestasi yang bergantung bukan sahaja pada tetapan yang betul sistem magnetik, tetapi juga dari penyegerakan tepat irama operasi SPS dan LHC.

Suntikan (iaitu, "pancutan") proton ke dalam LHC tidak berlaku secara berterusan, tetapi dalam denyutan. Semasa operasi LHC, talian penghantaran kosong, dan bahagian proton seterusnya terkumpul dalam pemecut awal SPS. Pada penghujung setiap kitaran operasi LHC, pancaran tenaga tinggi ditetapkan semula, dan pelanggar disediakan untuk menerima bahagian baharu proton. Dalam tempoh beberapa minit, satu siri suis berdenyut menghidupkan dan mematikan magnet pantas di hujung talian penghantaran proton menyusul, di mana tandan proton dipindahkan dari SPS ke LHC dan, satu demi satu, berbaris dalam mereka. "kedudukan" dalam rasuk, tanpa mengganggu tandan yang sudah beredar.

Sebelum memasuki SPS, proton melalui beberapa pemecut yang lebih kecil. Kompleks pemecut CERN yang lengkap diterangkan pada halaman kompleks pemecut CERN (lihat juga rajah pendek dalam Rajah 2). Pertama, proton diekstrak daripada gas hidrogen menggunakan pengionan, kemudian ia dipercepatkan kepada tenaga 50 MeV dalam pemecut linear dan disuntik ke dalam penggalak PSB. Di sana, proton dipercepatkan kepada tenaga 1.4 GeV, dipindahkan ke sinkrotron proton PS, dipercepatkan kepada 25 GeV, dan hanya selepas itu mereka memasuki SPS. Di dalamnya mereka dipercepatkan kepada 450 GeV dan disuntik ke dalam LHC. Nukleus plumbum juga mengalami urutan pemecut yang serupa, walaupun dalam kes mereka terdapat spesifik yang berkaitan dengan pemanasan dan pengatoman sampel plumbum dan pengionan atom.

Bahagian pemecut

Proton disuntik ke dalam LHC pada tenaga 0.45 TeV dan dipercepatkan kepada 7 TeV sudah berada di dalam gelang pemecut utama. Pecutan ini berlaku semasa penerbangan proton melalui beberapa resonator yang dipasang pada titik 4.

Resonator ialah ruang logam berongga bentuk kompleks (lihat Rajah 3), di dalamnya gelombang elektromagnet berdiri dengan frekuensi ayunan kira-kira 400 MHz teruja. Pecutan yang berkesan dan seragam bagi keseluruhan rasuk oleh medan berselang-seli adalah mungkin disebabkan oleh fakta bahawa keseluruhan rasuk dibahagikan kepada tandan berasingan, mengikut satu sama lain pada jarak yang ditetapkan dengan ketat. Apabila sekumpulan proton terbang melalui resonator, ayunan elektromagnet berada dalam satu fasa yang medan elektrik sepanjang paksi rasuk menolak proton ke hadapan.

Fasa ayunan medan dalam resonator dilaraskan supaya pada masa laluan zarah medan elektrik tidak maksimum, tetapi sedang berkembang. Ini dilakukan untuk menyamakan tenaga zarah dipercepatkan secara automatik. Jika beberapa proton secara tidak sengaja ternyata lebih bertenaga daripada jirannya, ia melompat ke hadapan dan pada pusingan seterusnya tiba di ruang pecutan dengan sedikit kemajuan. Oleh kerana itu, ia menerima tenaga tambahan yang kurang sedikit daripada proton lain. Dan sebaliknya, jika proton secara tidak sengaja kehilangan sedikit tenaga dan berakhir di ekor tandannya, maka pada kali berikutnya ia melalui bahagian pemecut ia akan mendapat lebih banyak tenaga. Sifat sekumpulan zarah ini dipanggil autofasa.

Pecutan proton daripada tenaga suntikan 0.45 TeV kepada 7 TeV berlaku agak perlahan, dalam masa kira-kira 20 minit. Kelajuan proses ini tidak terhad sama sekali oleh kuasa bahagian pecutan, tetapi oleh kadar pengukuhan medan magnet dalam magnet lentur - selepas semua, ia mesti berkembang serentak dengan tenaga zarah untuk mengekalkan mereka dalam tiub vakum jejari malar.

Ayunan medan elektromagnet dalam resonator menghasilkan arus kuat yang mengalir di sepanjang permukaan ruang. Untuk mengelakkan kehilangan tenaga haba, resonator di LHC juga beroperasi dalam keadaan superkonduktor pada suhu 4.5 K (–268.7 °C). Walau bagaimanapun, permukaan dalaman resonator tidak sesuai dan tidak dapat dielakkan mengandungi kecacatan kecil di mana haba dihasilkan. Tetapi oleh kerana resonator diperbuat daripada tembaga, haba ini cepat hilang.

Sistem pembuangan rasuk

Rasuk proton pada tenaga dan keamatan penuh mempunyai kuasa pemusnah yang hebat (bayangkan tenaga jet terbang, difokuskan kepada diameter kurang daripada satu milimeter). Biasanya, rasuk beredar di dalam kebuk vakum dan tidak menyentuh peralatan. Walau bagaimanapun, jika sistem magnet kawalan gagal atau laluan rasuk menyimpang terlalu banyak daripada reka bentuk, rasuk menjadi berbahaya dan mesti ditetapkan semula dengan cepat. Di samping itu, rasuk yang lemah mesti ditetapkan semula setiap beberapa puluh jam dan semasa operasi biasa pemecut.

Adakah semua ini sistem khas tetapan semula rasuk, dipasang pada titik 6. Ia mengandungi magnet pantas khas, yang, jika perlu, hidupkan dalam hitungan mikrosaat dan sedikit memesongkan rasuk. Akibatnya, proton meninggalkan orbit bulatnya, kemudian rasuk dinyahfokus, bergerak menjauhi pemecut melalui saluran khas dan selamat diserap di dalam bilik berasingan oleh blok komposit karbon yang besar (blok menjadi sangat panas, tetapi tidak cair. ).

Teknologi vakum dan kriogenik, sistem kawalan dan keselamatan

Agar rasuk proton beredar dengan bebas dalam LHC, vakum ultra dalam dicipta di dalam tiub pemecut. Tekanan gas sisa adalah kira-kira 10–13 atm. Walau bagaimanapun, walaupun pada tekanan yang begitu rendah, proton kadangkala berlanggar dengan molekul gas sisa, yang mengurangkan "jangka hayat rasuk" kepada beberapa hari.

Walaupun tiub vakum kecil, dengan jejari kira-kira 5 cm, ia sangat panjang, sehingga jumlah isipadu yang akan dipindahkan adalah setanding dengan bangunan besar. Di samping itu, disebabkan oleh banyak kenalan dan sambungan, serta kawasan permukaan dalaman yang besar dari ruang vakum, tugas untuk mengekalkan vakum yang diperlukan adalah sangat sukar.

Lagi satu bahagian penting Infrastruktur pemecut ialah sistem kriogenik yang menyejukkan gelang pemecut. Ia mengekalkan suhu 1.9 K (iaitu, –271.25°C) dalam magnet lentur (serta dalam beberapa elemen lain), di mana superkonduktor selamat memegang arus yang diperlukan dan mencipta medan magnet yang diperlukan. Untuk mengekalkan suhu operasi pemecut, kekonduksian terma tinggi yang unik bagi helium cecair super digunakan. Saluran helium boleh memindahkan kilowatt fluks haba ke LHC dengan perbezaan suhu hanya 0.1 K dalam jarak satu kilometer!

Sistem kriogenik di LHC adalah berbilang peringkat. 12 juta liter cecair nitrogen dan hampir satu juta liter cecair helium digunakan untuk penyejukan. LHC akan menggunakan 2-3 lori nitrogen cecair dan kira-kira 500 liter cecair helium setiap hari semasa operasi.

Pada titik 3 dan 7 terdapat peranti untuk "membersihkan" rasuk. Apabila rasuk proton bergerak di dalam tiub vakum, proton berayun dalam satah melintang, dan sebahagian daripadanya boleh menyimpang agak jauh dari trajektori ideal. Proton "mengembara" sedemikian (dalam bahasa ahli fizik - "beam halo") boleh menyentuh dinding tiub atau peralatan vakum. Walaupun ia adalah sebahagian kecil daripada keseluruhan rasuk proton, ia boleh memanaskan atau merosakkan peralatan secara tempatan. Sebagai contoh, pelepasan tenaga tempatan hanya beberapa perseratus joule setiap sentimeter padu boleh menyebabkan magnet lentur beralih daripada superkonduktor kepada keadaan biasa, yang akan membawa kepada pelepasan segera rasuk.

Sistem pembersihan rasuk secara mekanikal memotong halo rasuk. Untuk melakukan ini, bongkah besar-"rahang" kolimator-dialihkan berdekatan dengan rasuk (pada jarak hanya beberapa milimeter!). Mereka menyerap proton "mengembara", tetapi tidak mengganggu bahagian utama rasuk. Walau bagaimanapun, proton "terputus" juga tidak selamat - ia sangat memanaskan bahan kolimator, dan juga menjana aliran zarah tenaga yang lebih rendah di atasnya ("halo sekunder"), yang juga perlu dipotong oleh kolimator sekunder.

Bacaan lanjut:

• Lyndon Evans, Philip Bryant. Mesin LHC // Jurnal Instrumentasi, 3, S08001.

Large Hadron Collider (LHC) ialah pemecut zarah bercas menggunakan rasuk berlanggar, direka untuk mempercepatkan proton dan ion berat (ion plumbum) dan mengkaji hasil perlanggaran mereka.

Pelanggar itu dibina di pusat penyelidikan Majlis Penyelidikan Nuklear Eropah (French Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), di sempadan Switzerland dan Perancis, berhampiran Geneva. LHC ialah kemudahan eksperimen terbesar di dunia...

Kebimbangan tentang kemunculan lubang hitam dalam Large Hadron Collider (LHC) yang mampu memakan seluruh Alam Semesta telah disahkan sebahagiannya. Lubang-lubang ini secara teorinya sebenarnya boleh berlaku.

Pelancaran pertama LHC pada musim gugur lalu disertai dengan histeria tentang kemungkinan pembentukan lubang hitam di dalamnya.

Seperti yang diketahui, beratus-ratus objek sedemikian telah ditemui di Alam Semesta yang mempunyai graviti yang begitu kuat sehingga cahaya pun tidak dapat melepaskan diri dari pelukan mereka. Lubang hitam menyedut...

Large Hadron Collider berjaya melanggar rasuk proton pada tenaga rekod 7 teraelektronvolt.

Tenaga perlanggaran yang dicapai ialah nilai maksimum yang pernah dicapai dalam pemecut zarah.

Rekod tenaga perlanggaran sebelumnya telah ditetapkan di LHC pada 22 Mac dan ialah 3.48 teraelektronvolt.

Dua pelancaran rasuk proton pertama di Large Hadron Collider, yang dilakukan lebih awal pada hari Selasa, berakhir dengan kegagalan. Pada mulanya...

Pada hari Sabtu, 26 Jun, Large Hadron Collider sekali lagi mula melanggar proton dalam rasuk yang mengandungi kira-kira 100 bilion zarah. Sebelum ini, pakar menghabiskan kira-kira tiga minggu menyahpepijat sistem keselamatan pemecut.

Langkah keselamatan yang dipertingkatkan adalah perlu untuk memastikan peredaran rasuk proton yang stabil di sekeliling gelang pemecut. Para saintis secara beransur-ansur meningkatkan intensiti tandan dalam rasuk proton (zarah asas bergerak di sepanjang gelang pemecut bukan sebagai satu jisim, tetapi sebagai yang berasingan...

Pada 22 Ogos, Large Hadron Collider (LHC) berjaya menyelesaikan siri ujian penyegerakan terbaharunya: seperti yang dilaporkan dalam siaran akhbar daripada Pertubuhan Penyelidikan Nuklear Eropah (CERN), pancaran zarah melepasi sepanjang gelang pemecut mengikut arah lawan jam selama kira-kira tiga kilometer (sebelum ini, ujian serupa telah dijalankan dengan rasuk bergerak mengikut arah jam).

Pemecut zarah terbesar di dunia dijangka mengesan apa yang dipanggil boson Higgs dan mensimulasikan keadaan...

Large Hadron Collider telah ditutup selama beberapa jam kerana kebocoran dalam sistem penyejukannya.

"Penderia mengesan kebocoran dalam litar air yang telah dinyahmineral, yang menyejukkan sumber kuasa pam sistem penyejukan kriogenik, serta sumber kuasa magnet," kata sumber agensi itu.

Diandaikan bahawa masa tidak aktif pemecut adalah kira-kira 6 jam.

Ditegaskan bahawa masalahnya agak tidak ketara dan operasi pemecut akan dipulihkan dalam...

Large Hadron Collider, pemecut zarah terbesar dalam sejarah, telah dimulakan semula selepas penutupan teknikal sebelum tahun baharu.

Pada hari Sabtu, proton pertama tahun 2010 disuntik ke dalam gelang pemecut sejauh 27 kilometer dan melepasinya ke kedua-dua arah.

Manakala rasuk proton beredar pada tenaga peringkat sebelumnya pemecut - supersynchrotron proton SBS - 450 gigaelectronvolts. Walau bagaimanapun, dalam beberapa minggu akan datang, saintis menjangkakan untuk meningkatkan tenaga zarah kepada 3.5...

Pelanggar Hadron Besar selepas cuti musim sejuk Selepas beberapa minggu ujian, ia kembali beroperasi seperti biasa, menurut mesej di microblog rasmi Pertubuhan Penyelidikan Nuklear Eropah (CERN). "Musim penyelidikan fizik 2011 telah bermula," kata kenyataan itu.

Pelanggar itu, yang mula beroperasi pada Februari 2010 selepas beberapa bulan penentukuran dan penghapusan masalah kecil, menamatkan tahun operasi pertamanya pada Disember tahun yang sama dan dihentikan sehingga pertengahan Februari...

Large Hadron Collider, yang beroperasi di Switzerland, adalah pemecut paling terkenal di dunia. Ini sangat difasilitasi oleh gembar-gembur yang ditimbulkan oleh masyarakat dunia dan wartawan mengenai bahaya ini projek saintifik. Ramai orang percaya bahawa ini adalah satu-satunya pelanggar di dunia, tetapi ini jauh dari kebenaran. Sebagai tambahan kepada Tevatron ditutup di Amerika Syarikat, pada pada masa ini Terdapat lima pelanggar yang beroperasi di dunia.

Di Amerika, pemecut RKTI (Relativistic Heavy Ion Collider), yang mula beroperasi pada tahun 2000, beroperasi di Makmal Brookhaven. Untuk melaksanakannya, pelaburan sebanyak $2 bilion diperlukan. Sebagai tambahan kepada eksperimen teori semata-mata, ahli fizik yang bekerja di RHIC sedang membangunkan projek yang agak praktikal. Antaranya:

• peranti untuk mendiagnosis dan merawat kanser (menggunakan proton dipercepatkan yang disasarkan);
• menggunakan rasuk ion berat untuk mencipta penapis pada tahap molekul;
• pembangunan peranti penyimpanan tenaga yang semakin cekap, yang membuka prospek baharu dalam penggunaan tenaga suria.

Pemecut ion berat serupa sedang dibina di Rusia di Dubna. Pada kolider NICA ini ahli fizik Rusia berhasrat untuk mengkaji plasma quark-gluon.

Kini saintis Rusia sedang menjalankan penyelidikan di Institut Fizik Nuklear, di mana dua pelanggar terletak - VEPP-4M dan VEPP-2000. Bajet mereka ialah $0.19 bilion untuk yang pertama dan 0.1 untuk yang kedua. Ujian pertama pada VEPP-4M bermula pada tahun 1994. Di sini, teknik telah dibangunkan untuk mengukur jisim zarah asas yang diperhatikan dengan ketepatan tertinggi di seluruh dunia. Di samping itu, INP adalah satu-satunya institut di dunia yang memperoleh wang daripada penyelidikan asas dalam bidang fizik sendiri. Para saintis di institut ini membangunkan dan menjual peralatan untuk pemecut ke negara lain yang ingin mempunyai kemudahan eksperimen mereka sendiri, tetapi tidak mempunyai perkembangan sedemikian.

Pada tahun 1999, Daphne collider telah dilancarkan di makmal Frascatti (Itali), kosnya adalah kira-kira 1/5 bilion dolar, dan kuasa maksimumnya ialah 0.51 TeV. Ia adalah salah satu pemecut tenaga tinggi pertama dengan bantuan hanya satu eksperimen, lebih daripada seratus ribu hyperion (zarah atom) diperolehi di atasnya. Untuk ini, Daphne digelar kilang zarah atau kilang-f.

Dua tahun sebelum pelancaran LHC, pada tahun 2006 China melancarkan pelanggarnya sendiri, VERS II, dengan kuasa 2.5 TeV. Kos pembinaan ini adalah rekod rendah dan berjumlah $0.08 bilion. Tetapi untuk belanjawan negara membangun ini, jumlah itu tidaklah kecil; kerajaan China memperuntukkan dana ini, memahami bahawa tanpa pembangunan cabang asas sains, pembangunan adalah mustahil industri moden. Adalah lebih penting untuk melabur dalam bidang ini fizik eksperimen dalam keadaan keletihan sumber alam dan peningkatan permintaan tenaga.

Komen anda

100 meter di bawah tanah, di sempadan Perancis dan Switzerland, terdapat alat yang boleh mendedahkan rahsia alam semesta. Atau, menurut sesetengah orang, memusnahkan semua kehidupan di Bumi.

Bagaimanapun, ini adalah mesin terbesar di dunia, dan ia digunakan untuk mengkaji zarah terkecil di Alam Semesta. Ini ialah Large Hadron (bukan android) Collider (LHC).

Penerangan ringkas

LHC adalah sebahagian daripada projek yang diketuai oleh Pertubuhan Penyelidikan Nuklear Eropah (CERN). Pelanggar adalah sebahagian daripada kompleks pemecut CERN di luar Geneva di Switzerland dan digunakan untuk mempercepatkan rasuk proton dan ion ke kelajuan menghampiri kelajuan cahaya, menghancurkan zarah antara satu sama lain dan merekodkan peristiwa yang terhasil. Para saintis berharap bahawa ini akan membantu untuk mengetahui lebih lanjut tentang asal usul Alam Semesta dan komposisinya.

Apakah collider (LHC)? Ia adalah pemecut zarah yang paling bercita-cita tinggi dan berkuasa yang dibina setakat ini. Beribu-ribu saintis dari ratusan negara bekerjasama dan bersaing antara satu sama lain untuk mencari penemuan baharu. Untuk mengumpul data eksperimen, terdapat 6 bahagian yang terletak di sepanjang lilitan collider.

Penemuan yang dibuat dengannya mungkin berguna pada masa hadapan, tetapi itu bukan sebab pembinaannya. Tujuan Large Hadron Collider adalah untuk mengembangkan pengetahuan kita tentang Alam Semesta. Memandangkan LHC menelan belanja berbilion dolar dan memerlukan kerjasama banyak negara, kekurangan itu aplikasi praktikal mungkin tidak dijangka.

Untuk apa Hadron Collider?

Dalam usaha untuk memahami Alam Semesta kita, fungsi dan struktur sebenar, saintis telah mencadangkan satu teori yang dipanggil model standard. Ia cuba mengenal pasti dan menerangkan zarah asas yang menjadikan dunia seperti apa adanya. Model ini menggabungkan unsur-unsur teori relativiti Einstein dengan teori kuantum. Ia juga mengambil kira 3 daripada 4 kuasa asas Alam Semesta: kuasa nuklear yang kuat dan lemah dan elektromagnetisme. Teori ini tidak berkenaan dengan daya asas ke-4 - graviti.

Model Standard telah membuat beberapa ramalan tentang alam semesta yang konsisten dengan pelbagai eksperimen. Tetapi terdapat aspek lain yang memerlukan pengesahan. Salah satunya ialah zarah teori yang dipanggil boson Higgs.

Penemuannya menjawab soalan tentang jisim. Kenapa jirim memilikinya? Para saintis telah mengenal pasti zarah yang tidak mempunyai jisim, seperti neutrino. Mengapa sesetengah orang memilikinya dan yang lain tidak? Ahli fizik telah memberikan banyak penjelasan.

Yang paling mudah ialah mekanisme Higgs. Teori ini menyatakan bahawa terdapat zarah dan daya yang sepadan yang menerangkan kehadiran jisim. Ia tidak pernah diperhatikan sebelum ini, jadi peristiwa yang dicipta oleh LHC sama ada akan membuktikan kewujudan boson Higgs atau memberikan maklumat baharu.

Soalan lain yang ditanya oleh saintis adalah berkaitan dengan asal usul Alam Semesta. Kemudian jirim dan tenaga adalah satu. Selepas pemisahan mereka, zarah jirim dan antijirim memusnahkan satu sama lain. Jika bilangan mereka sama, maka tidak akan ada yang tersisa.

Tetapi, nasib baik bagi kami, terdapat lebih banyak jirim di Alam Semesta. Para saintis berharap dapat memerhatikan antimateri semasa operasi LHC. Ini boleh membantu memahami sebab perbezaan jumlah jirim dan antijirim apabila alam semesta bermula.

Perkara gelap

Pemahaman semasa tentang alam semesta menunjukkan bahawa hanya kira-kira 4% daripada perkara yang sepatutnya wujud kini boleh diperhatikan. Pergerakan galaksi dan lain-lain benda angkasa menunjukkan bahawa terdapat lebih banyak jirim yang boleh dilihat.

Para saintis menamakan jirim tak tertakrif ini sebagai jirim gelap. Bahan yang boleh diperhatikan dan gelap membentuk kira-kira 25%. 3/4 yang lain datang daripada tenaga gelap hipotesis, yang menyumbang kepada pengembangan Alam Semesta.

Para saintis berharap eksperimen mereka sama ada akan memberikan bukti lanjut untuk kewujudan bahan gelap dan tenaga gelap, atau mengesahkan teori alternatif.

Tetapi ini hanyalah hujung gunung ais fizik zarah. Terdapat lebih banyak perkara eksotik dan kontroversi yang perlu didedahkan, itulah gunanya si pelanggar itu.

Big Bang pada skala mikro

Dengan melanggar proton pada kelajuan yang cukup tinggi, LHC memecahkannya kepada subzarah atom yang lebih kecil. Mereka sangat tidak stabil dan bertahan hanya sepersekian saat sebelum mereput atau bergabung semula.

Menurut teori Big Bang, semua jirim pada asalnya terdiri daripada mereka. Apabila Alam Semesta mengembang dan menyejuk, mereka bergabung menjadi zarah yang lebih besar seperti proton dan neutron.

Teori luar biasa

Jika zarah teori, antijirim dan tenaga gelap, tidak cukup eksotik, sesetengah saintis percaya LHC boleh memberikan bukti kewujudan dimensi lain. Secara umum diterima bahawa dunia adalah empat dimensi (ruang dan masa tiga dimensi). Tetapi ahli fizik mencadangkan bahawa mungkin terdapat dimensi lain yang tidak dapat dilihat oleh manusia. Sebagai contoh, satu versi teori rentetan memerlukan sekurang-kurangnya 11 dimensi.

Penganut teori ini berharap LHC akan memberikan bukti model cadangan mereka tentang Alam Semesta. Pada pendapat mereka, blok bangunan asas bukanlah zarah, tetapi rentetan. Ia boleh dibuka atau ditutup, dan bergetar seperti gitar. Perbezaan dalam getaran menjadikan rentetan berbeza. Ada yang menampakkan diri dalam bentuk elektron, sementara yang lain direalisasikan sebagai neutrino.

Apakah pelanggar dalam nombor?

LHC adalah struktur yang besar dan berkuasa. Ia terdiri daripada 8 sektor, setiap satunya adalah arka, dibatasi pada setiap hujung dengan bahagian yang dipanggil "sisipan". Lilitan pelanggar ialah 27 km.

Tiub pemecut dan ruang perlanggaran terletak 100 meter di bawah tanah. Akses kepada mereka disediakan oleh terowong perkhidmatan dengan lif dan tangga yang terletak di beberapa titik di sepanjang lilitan LHC. CERN juga telah membina bangunan di atas tanah di mana penyelidik boleh mengumpul dan menganalisis data yang dijana oleh pengesan pelanggar.

Magnet digunakan untuk mengawal rasuk proton yang bergerak pada 99.99% daripada kelajuan cahaya. Mereka besar, seberat beberapa tan. LHC mempunyai kira-kira 9,600 magnet. Ia menyejukkan hingga 1.9K (-271.25 °C). Ini adalah di bawah suhu angkasa lepas.

Proton di dalam collider melalui tiub vakum ultra tinggi. Ini adalah perlu supaya tiada zarah yang boleh mereka langgar sebelum mencapai matlamat mereka. Satu molekul gas boleh menyebabkan eksperimen gagal.

Terdapat 6 kawasan di sekeliling lilitan pelanggar besar di mana jurutera boleh menjalankan eksperimen mereka. Mereka boleh dibandingkan dengan mikroskop dengan kamera digital. Sesetengah pengesan ini adalah besar - ATLAS ialah peranti sepanjang 45 m, tinggi 25 m dan berat 7 tan.

LHC menggunakan kira-kira 150 juta penderia yang mengumpul data dan menghantarnya ke rangkaian komputer. Menurut CERN, jumlah maklumat yang diperoleh semasa eksperimen adalah kira-kira 700 MB/s.

Jelas sekali, pelanggar sedemikian memerlukan banyak tenaga. Penggunaan kuasa tahunannya ialah kira-kira 800 GWj. Ia mungkin lebih besar, tetapi objek tidak berfungsi bulan musim sejuk. Menurut CERN, kos tenaga adalah kira-kira 19 juta euro.

Perlanggaran Proton

Prinsip di sebalik fizik collider agak mudah. Pertama, dua rasuk dilancarkan: satu arah jam, dan kedua lawan jam. Kedua-dua aliran memecut kepada kelajuan cahaya. Kemudian mereka diarahkan ke arah satu sama lain dan hasilnya diperhatikan.

Peralatan yang diperlukan untuk mencapai matlamat ini adalah lebih kompleks. LHC adalah sebahagian daripada kompleks CERN. Sebelum mana-mana zarah memasuki LHC, mereka sudah melalui beberapa langkah.

Pertama, untuk menghasilkan proton, saintis mesti menanggalkan atom hidrogen elektron. Zarah tersebut kemudiannya dihantar ke LINAC 2, yang melancarkannya ke dalam pemecut PS Booster. Mesin ini menggunakan medan elektrik berselang-seli untuk mempercepatkan zarah. Medan yang dicipta oleh magnet gergasi membantu menahan rasuk.

Apabila rasuk mencapai tahap tenaga yang dikehendaki, Penggalak PS menghalakannya ke supersynchrotron SPS. Aliran ini dipercepatkan lebih jauh dan dibahagikan kepada 2808 rasuk 1.1 x 1011 proton. SPS menyuntik rasuk ke dalam LHC mengikut arah jam dan lawan jam.

Di dalam Large Hadron Collider, proton terus memecut selama 20 minit. hidup kelajuan maksimum mereka membuat 11,245 orbit mengelilingi LHC setiap saat. Rasuk menumpu pada salah satu daripada 6 pengesan. Dalam kes ini, 600 juta perlanggaran berlaku sesaat.

Apabila 2 proton berlanggar, ia terbahagi kepada zarah yang lebih kecil, termasuk quark dan gluon. Kuark sangat tidak stabil dan reput dalam pecahan sesaat. Pengesan mengumpul maklumat dengan menjejaki laluan zarah subatom dan menghantarnya ke rangkaian komputer.

Tidak semua proton berlanggar. Selebihnya terus bergerak ke bahagian pancaran rasuk, di mana ia diserap oleh grafit.

Pengesan

Di sepanjang lilitan collider terdapat 6 bahagian di mana data dikumpul dan eksperimen dijalankan. Daripada jumlah ini, 4 adalah pengesan utama dan 2 adalah lebih kecil.

Yang terbesar ialah ATLAS. Dimensinya ialah 46 x 25 x 25 m Penjejak mengesan dan menganalisis momentum zarah yang melalui ATLAS. Di sekelilingnya adalah kalorimeter yang mengukur tenaga zarah dengan menyerapnya. Para saintis boleh memerhatikan trajektori mereka dan mengekstrapolasi maklumat tentang mereka.

Pengesan ATLAS juga mempunyai spektrometer muon. Muon ialah zarah bercas negatif 200 kali lebih berat daripada elektron. Mereka adalah satu-satunya yang mampu melepasi kalorimeter tanpa henti. Spektrometer mengukur momentum setiap muon menggunakan penderia zarah bercas. Penderia ini boleh mengesan turun naik dalam medan magnet ATLAS.

Compact Muon Solenoid (CMS) ialah pengesan tujuan umum yang mengesan dan mengukur subzarah yang dilepaskan semasa perlanggaran. Peranti ini terletak di dalam magnet solenoid gergasi yang boleh mencipta medan magnet hampir 100 ribu kali lebih besar daripada medan magnet Bumi.

Pengesan ALICE direka untuk mengkaji perlanggaran ion besi. Dengan cara ini, penyelidik berharap dapat mencipta semula keadaan yang serupa dengan yang berlaku sejurus selepas Big Bang. Mereka mengharapkan untuk melihat ion berubah menjadi campuran kuark dan gluon. Komponen utama ALICE ialah kamera TPC, yang digunakan untuk mengkaji dan membina semula trajektori zarah.

LHC digunakan untuk mencari bukti kewujudan antimateri. Ia melakukan ini dengan mencari zarah yang dipanggil beauty quark. Barisan pengesan kecil mengelilingi titik hentaman sepanjang 20 meter. Mereka boleh menangkap zarah quark kecantikan yang sangat tidak stabil dan cepat mereput.

Eksperimen TOTEM dijalankan di kawasan dengan salah satu pengesan kecil. Ia mengukur saiz proton dan kecerahan LHC, menunjukkan ketepatan penciptaan perlanggaran.

Percubaan LHC mensimulasikan sinar kosmik dalam persekitaran terkawal. Matlamatnya adalah untuk membantu membangunkan kajian berskala besar tentang sinar kosmik sebenar.

Di setiap tapak pengesanan terdapat satu pasukan penyelidik, berjumlah dari beberapa dozen hingga lebih daripada seribu saintis.

Pemprosesan data

Tidak menghairankan bahawa pelanggar sedemikian menghasilkan aliran data yang besar. 15,000,000 GB yang dihasilkan setiap tahun oleh pengesan LHC menimbulkan cabaran besar bagi penyelidik. Penyelesaiannya ialah rangkaian komputer yang terdiri daripada komputer, setiap satunya mampu menganalisis sekeping data secara bebas. Setelah komputer melengkapkan analisis, ia menghantar keputusan ke komputer pusat dan menerima bahagian baharu.

Para saintis di CERN memutuskan untuk menumpukan pada penggunaan peralatan yang agak murah untuk melakukan pengiraan mereka. Daripada membeli pelayan dan pemproses lanjutan, perkakasan sedia ada digunakan yang boleh berfungsi dengan baik pada rangkaian. Menggunakan perisian khas, rangkaian komputer akan dapat menyimpan dan menganalisis data daripada setiap eksperimen.

Bahaya kepada planet ini?

Sesetengah orang takut bahawa pelanggar yang kuat itu boleh menimbulkan ancaman kepada kehidupan di Bumi, termasuk mengambil bahagian dalam pembentukan lubang hitam, "bahan pelik," monopoli magnetik, radiasi, dll.

Para saintis secara konsisten menyangkal dakwaan sedemikian. Pembentukan lohong hitam adalah mustahil kerana terdapat perbezaan yang besar antara proton dan bintang. "Benda pelik" mungkin telah lama terbentuk di bawah pengaruh sinar kosmik, dan bahaya pembentukan hipotesis ini sangat dibesar-besarkan.

Pelanggar adalah sangat selamat: ia dipisahkan dari permukaan oleh lapisan tanah 100 meter, dan kakitangan dilarang berada di bawah tanah semasa eksperimen.