Što je sudarač i zašto je potreban?

100 metara ispod zemlje, na granici Francuske i Švicarske, je uređaj koji je u stanju otkriti tajne svemira. Ili, prema nekima, uništiti sav život na Zemlji.

U svakom slučaju, ovo je najveći stroj na svijetu i koristi se za proučavanje najmanjih čestica u svemiru. Ovo je Large Hadron (ne Android) sudar (LHC).

Kratak opis

LHC je dio projekta koji vodi Europska organizacija za nuklearna istraživanja (CERN). Kolider je uključen u CERN-ov kompleks za akceleraciju izvan Ženeve u Švicarskoj i koristi se za ubrzavanje protonskih i ionskih snopova do brzina koje se približavaju brzini svjetlosti, čestice koje se sudaraju jedna s drugom i bilježe nastale događaje. Znanstvenici se nadaju da će to pomoći da saznate više o nastanku svemira i njegovom sastavu.

Što je sudarač (LHC)? To je najambiciozniji i najsnažniji akcelerator čestica, izgrađen do danas. Tisuće znanstvenika iz stotina zemalja surađuju i međusobno se natječu u potrazi za novim otkrićima. Da bi se prikupili eksperimentalni podaci, uzduž oboda sudara sudara osigurano je 6 mjesta.

Otkrića koja su s njom napravljena mogu biti korisna u budućnosti, ali to nije razlog njezine izgradnje. Cilj Velikog hadronskog sudarača je proširiti naše znanje o Svemiru. S obzirom da LHC vrijedi milijarde dolara i zahtijeva suradnju mnogih zemalja, nedostatak praktične primjene može biti neočekivan.

Zašto je Hadron Collider?

U pokušaju da razumiju naš Svemir, njegovo funkcioniranje i njegovu stvarnu strukturu, znanstvenici su predložili teoriju nazvanu standardni model. Pokušava identificirati i objasniti temeljne čestice koje čine svijet takvim kakav jest. Model kombinira elemente Einsteinova teorija relativnosti s kvantnom teorijom. Također uzima u obzir 3 od 4 glavne sile svemira: jake i slabe nuklearne interakcije i elektromagnetizam. Teorija se ne odnosi na četvrtu temeljnu silu - gravitaciju.

Standardni model dao je nekoliko predviđanja o svemiru koji su u skladu s različitim eksperimentima. No, postoje i drugi aspekti koji zahtijevaju potvrdu. Jedna od njih je teoretska čestica zvan Higgsov bozon.

Njegovo otkriće daje odgovor na pitanja o masi. Zašto ga posjeduje materija? Znanstvenici su identificirali čestice koje nemaju masu, primjerice neutrine. Zašto ga neki imaju, a drugi ne? Fizičari su ponudili mnoga objašnjenja.

Najjednostavniji od njih je Higsov mehanizam. Ta teorija kaže da postoji čestica i njezina odgovarajuća sila, koja objašnjava prisutnost mase. Nikada prije nije bio opažen, tako da su događaji koje je stvorio LHC trebali dokazati postojanje Higgsovog bozona ili pružiti nove informacije.

Još jedno pitanje koje znanstvenici postavljaju je povezano s rođenjem svemira. Tada su materija i energija bile jedno. Nakon njihovog odvajanja, čestice materije i antimaterije uništile su jedna drugu. Ako je njihov broj jednak, onda ništa neće ostati.

Ali, na sreću za nas, u svemiru je bilo više stvari. Znanstvenici se nadaju promatrati antimateriju dok LHC djeluje. To bi moglo pomoći u razumijevanju razloga za razliku u količini materije i antimaterije kada je Svemir započeo.

Tamna tvar

Moderno razumijevanje svemira sugerira da se do sada može uočiti samo oko 4% materije koja mora postojati. Kretanje galaksija i drugih nebeskih tijela sugerira da postoji mnogo više vidljive materije.

Znanstvenici su ovo nazvali nejasnom temom. Promatrana i tamna tvar je oko 25%. Drugi 3/4 dolazi od hipotetske tamne energije koja doprinosi širenju svemira.

Znanstvenici se nadaju da će njihovi eksperimenti ili pružiti dodatne dokaze za postojanje tamne tvari i tamne energije, ili će potvrditi alternativnu teoriju.

Ali to je samo vrh ledene brijege fizike elementarnih čestica. Postoje još egzotičnije i kontroverznije stvari koje treba otkriti i zašto je potreban sudarač.

Veliki prasak

Guranjem protona na dovoljno velikoj brzini, LHC ih razbija u manje atomske pod-čestice. Vrlo su nestabilni, a prije raspadanja ili rekombinacije postoji samo djelić sekunde.

Prema teoriji Velikog praska, izvorno su se sve sastojale od materije. Kako se svemir širio i hladio, oni su se sjedinili u veće čestice, kao što su protoni i neutroni.

Neobične teorije

Ako teorijske čestice, antimaterija i tamna energija nisu dovoljno egzotične, neki znanstvenici vjeruju da LHC može pružiti dokaze za postojanje drugih dimenzija. Vjeruje se da je svijet četverodimenzionalan (trodimenzionalni prostor i vrijeme). Ali fizičari pretpostavljaju da postoje druge dimenzije koje ljudi ne mogu shvatiti. Na primjer, jedna verzija teorije struna zahtijeva najmanje 11 mjerenja.

Sljedbenici te teorije nadaju se da će LHC pružiti dokaze o njihovom predloženom modelu svemira. Po njihovom mišljenju, temeljni građevni blokovi nisu čestice, već žice. Mogu biti otvoreni ili zatvoreni i vibriraju poput gitare. Razlika u vibracijama čini žice drugačijima. Neki se pojavljuju u obliku elektrona, dok se drugi ostvaruju kao neutrini.

Što je sudarač u brojevima?

LHC je masivan i snažan dizajn. Sastoji se od 8 sektora, od kojih je svaki luk, na svakom kraju omeđen odjeljkom koji se naziva “umetnuti”. Obim sudara je 27 km.

Cijevi za ubrzavanje i komore sudara nalaze se 100 metara ispod zemlje. Pristup do njih pruža uslužni tunel s dizalima i stepenicama koje se nalaze na nekoliko mjesta duž oboda LHC-a. CERN je također izgradio građevine na zemlji, gdje istraživači mogu prikupljati i analizirati podatke dobivene detektorima sudaračima.

Za kontrolu protonskih zraka koji se kreću brzinom od 99,99% brzinu svjetlosti koriste se magneti. Ogromni su i teže nekoliko tona. U LHC-u ima oko 9 600 magneta. Ohlađuju se na 1.9 K (-271.25 ° C). To je ispod temperature vanjskog prostora.

Protoni unutar kolidera prolaze kroz cijevi s ultra visokim vakuumom. To je potrebno kako ne bi bilo čestica s kojima bi se mogli susresti prije nego što dosegnu cilj. Jedna molekula plina može dovesti do neuspjeha eksperimenta.

Postoji 6 odjeljaka na obodu velikog sudara gdje inženjeri mogu provoditi svoje eksperimente. Mogu se usporediti s mikroskopima s digitalnim fotoaparatom. Neki od tih detektora su ogromni - ATLAS je uređaj dug 45 metara, visok 25 metara i težak 7 tona.

LHC ima oko 150 milijuna senzora koji prikupljaju podatke i šalju ih u računalnu mrežu. Prema CERN-u, količina informacija dobivenih tijekom eksperimenata je oko 700 MB / s.

Očito, takvom sudaru treba mnogo energije. Godišnja potrošnja energije iznosi oko 800 GWh. Mogao je biti mnogo veći, ali objekt ne radi tijekom zimskih mjeseci. Prema CERN-u, trošak energije je oko 19 milijuna eura.

Protonski sudar

Princip na kojem se temelji fizika sudarač je vrlo jednostavan. Prvo se pokreću dvije grede: jedna u smjeru kazaljke na satu, a druga protiv. Oba toka ubrzavaju se do brzine svjetlosti. Zatim se šalju jedni prema drugima i promatraju rezultat.

Oprema potrebna za postizanje toga mnogo je složenija. LHC je dio CERN-ovog kompleksa. Prije nego što bilo kakve čestice uđu u LHC, one već prolaze kroz niz koraka.

Prvo, da bi proizveli protone, znanstvenici moraju lišiti vodikove atome elektrona. Tada se čestice šalju u instalaciju LINAC 2, koja ih pokreće u PS Booster akcelerator. Ovi strojevi koriste promjenjivo električno polje za ubrzavanje čestica. Polja stvorena ogromnim magnetima pomažu u držanju greda.

Kada snop dosegne željeni energetskoj razini PS Booster ga usmjerava na SPS super sinkrotron. Protok se još više ubrzava i podijeljen je na 2808 greda s 1.1 x 1011 protona. SPS uvodi zrake u LHC u smjeru kazaljke na satu i obrnuto.

Unutar Velikog hadronskog sudarača protoni nastavljaju ubrzavati 20 minuta. Na maksimalnoj brzini izvode 11245 okretaja oko LHC-a svake sekunde. Zrake se spajaju na jednom od 6 detektora. Kada se to dogodi 600 milijuna sudara u sekundi.

Kada se dva protona sudaraju, podijeljena su na manje čestice, uključujući kvarkove i gluone. Kvarkovi su vrlo nestabilni i raspadaju se u djeliću sekunde. Detektori prikupljaju informacije praćenjem puta subatomskih čestica i šalju ih u računalnu mrežu.

Ne sudaraju se svi protoni. Ostali se nastavljaju pomicati u odsječak odvoda snopa, gdje ih apsorbira grafit.

detektori

Duž opsega sudara za sudar postoje 6 dijelova u kojima se prikupljaju podaci i provode eksperimenti. Od njih 4 su osnovni detektori, a 2 su manji.

Najveći je ATLAS. Njegove dimenzije su 46 x 25 x 25 m. Tragač otkriva i analizira impuls čestica koje prolaze kroz ATLAS. Okružena je kalorimetrom, mjerenjem energije čestica koje ih apsorbiraju. Znanstvenici mogu promatrati putanju svog kretanja i ekstrapolirati informacije o njima.

ATLAS detektor također ima i mjonski spektrometar. Mioni su negativno nabijene čestice 200 puta teže od elektrona. Oni su jedini koji mogu proći kroz kalorimetar bez zaustavljanja. Spektrometar mjeri zamah svakog miona senzorima nabijenih čestica. Ovi senzori mogu detektirati fluktuacije u ATLAS magnetskom polju.

Kompaktni muonski solenoid (CMS) je detektor opće namjene koji detektira i mjeri podestice oslobođene tijekom sudara. Uređaj se nalazi unutar ogromnog magnetnog magneta, koji može stvoriti magnetsko polje koje je gotovo 100 tisuća puta veće od Zemljino magnetsko polje.

ALICE detektor je dizajniran za proučavanje sudara iona željeza. Stoga se istraživači nadaju da će stvoriti uvjete slične onima koji su se dogodili neposredno nakon Velikog praska. Očekuju kako će se ioni pretvoriti u mješavinu kvarkova i gluona. Glavna komponenta ALICE je TPC kamera, koja služi za proučavanje i ponovno kreiranje putanje čestica.

LHC se koristi za traženje dokaza o postojanju antimaterije. On to čini tražeći česticu zvanu lijepi kvark. Broj pod-detektora koji okružuju točku sudara je dugačak 20 metara. Mogu pokupiti vrlo nestabilne i brzo propadajuće čestice prekrasnih kvarkova.

Eksperiment TOTEM provodi se na mjestu s jednim od malih detektora. On mjeri veličinu protona i svjetlinu LHC-a, što ukazuje na točnost stvaranja sudara.

Eksperiment LHC simulira kozmičke zrake u kontroliranom okruženju. Njegova je svrha pomoći u razvoju velikih istraživanja stvarnih kozmičkih zraka.

Tim istraživača, koji broje od nekoliko desetaka do više od tisuću znanstvenika, radi na svakom mjestu otkrivanja.

Obrada podataka

Nije iznenađujuće da takav sudarač generira ogroman tok podataka. 15.000.000 GB koje godišnje primaju LHC detektori predstavlja ogroman izazov za istraživače. Njegovo rješenje je računalna mreža koja se sastoji od računala, od kojih je svaka sposobna samostalno analizirati dio podataka. Čim računalo dovrši analizu, šalje rezultate središnjem računalu i dobiva novu seriju.

Znanstvenici iz CERN-a odlučili su se usredotočiti na korištenje relativno jeftine opreme za provođenje svojih proračuna. Umjesto kupnje naprednih poslužitelja i procesora, koristi se postojeći hardver koji dobro funkcionira na mreži. Uz pomoć posebnog softvera, mreža računala moći će pohranjivati ​​i analizirati podatke iz svakog eksperimenta.

Opasnost za planet?

Neki strahuju da bi takav snažan sudar mogao predstavljati prijetnju životu na Zemlji, uključujući sudjelovanje u formiranju crnih rupa, "čudnih materija", magnetskih monopola, zračenja itd.

Znanstvenici dosljedno pobijaju takve tvrdnje. Formiranje crne rupe je nemoguće, jer postoji velika razlika između protona i zvijezda. "Čudna materija" mogla se davno formirati pod utjecajem kozmičkih zraka, a opasnost od tih hipotetičkih formacija uvelike je pretjerana.

Kolider je izuzetno siguran: odvojen je od površine slojem tla od 100 metara, a osoblje ne smije biti pod zemljom tijekom eksperimenata.