Den store Hadron Collider

Stor Hadron Collider

Fragment af LHC, sektor 3-4
Type Synkrotron
Formål Collider
Land Schweiz / Frankrig
Laboratorium CERN
Års arbejde 2008-
Eksperimenter
Tekniske specifikationer
Partikler p×p, Pb 82+ × Pb 82+
Energi 6,5 TeV
Omkreds/længde 26.659 m
emissioner 0,3 nm
Lysstyrke 2•10 34 cm −2 s −1
andre oplysninger
Geografiske koordinater 46°14′ N. sh. 6°03′ Ø e.
Internet side home.cern/topics/large-h…
public.web.cern.ch/publi…
 Mediefiler på Wikimedia Commons

The Large Hadron Collider , forkortet LHC ( Large Hadron Collider , forkortet LHC ) er en kolliderende partikelaccelerator designet til at accelerere protoner og tunge ioner ( blyioner ) og studere produkterne af deres kollisioner. Collideren blev bygget ved CERN (European Council for Nuclear Research), beliggende nær Genève , på grænsen mellem Schweiz og Frankrig . LHC er det største forsøgsanlæg i verden. Mere end 10.000 videnskabsmænd og ingeniører fra mere end 100 lande [1] , herunder 12 institutter og 2 føderale nukleare centre ( VNIITF , VNIYaF), har deltaget og deltager i byggeri og forskning.  

"Big" er navngivet på grund af sin størrelse: længden af ​​acceleratorens hovedring er 26.659 m [2] ; "Hadronisk" - på grund af det faktum, at det accelererer hadroner : protoner og tunge atomkerner ; " collider " ( engelsk  collider  - collider ) - på grund af det faktum, at to stråler af accelererede partikler støder sammen i modsatte retninger på særlige kollisionssteder - inde i detektorerne for elementarpartikler [3] .

Opgaver

Hovedopgaven for Large Hadron Collider er pålideligt at detektere i det mindste nogle afvigelser fra standardmodellen [4]  - et sæt teorier, der udgør den moderne forståelse af fundamentale partikler og interaktioner. På trods af dets fordele har det også vanskeligheder: det beskriver ikke gravitationsinteraktionen , forklarer ikke eksistensen af ​​mørkt stof og mørk energi . Kollideren skal hjælpe med at besvare spørgsmål, der ikke er løst inden for rammerne af standardmodellen [5] .

Jagten på ny fysik og afprøvningen af ​​eksotiske teorier

Standardmodellen giver ikke en samlet beskrivelse af alle fundamentale interaktioner og burde ifølge teoretikere være en del af en eller anden dybere teori om strukturen af ​​mikroverdenen, som er synlig i kollider-eksperimenter ved energier under 1 TeV . Hovedopgaven for Large Hadron Collider, hvor højere energier er tilgængelige, er i det mindste at få de første hints om, hvad denne dybere teori er. Et stort antal kandidater til en sådan teori er blevet udviklet - de kaldes " Ny Fysik " [6] . Der tales også om "eksotiske modeller" - talrige usædvanlige ideer om verdens struktur, der er blevet fremsat i de senere år. Disse omfatter teorier med stærk tyngdekraft på en energiskala af størrelsesordenen 1 TeV, de såkaldte Grand Unified Theories , modeller med et stort antal rumlige dimensioner [ca. 1] , præonmodeller , hvor kvarker og leptoner selv består af partikler, modeller med nye typer af interaktioner og nye partikler. Alle af dem modsiger ikke de tilgængelige eksperimentelle data, men i høj grad på grund af sidstnævntes begrænsninger. Det forventes, at resultaterne opnået ved LHC vil hjælpe med at bekræfte eller afkræfte forudsigelserne fra forskellige teorier [6] [7] .

Søg efter supersymmetri

En af måderne at kombinere lovene for alle fundamentale interaktioner inden for rammerne af en enkelt teori er " supersymmetri "-hypotesen, som antager eksistensen af ​​en tungere partner for hver kendt elementarpartikel [5] . Teorierne baseret på det er de mest populære inden for "Ny Fysik" (især supersymmetriske partikler betragtes som kandidater til rollen som hypotetiske partikler af mørkt stof [5] ), og søgningen efter dens eksperimentelle bekræftelse er en af LHC's hovedopgaver [6] [7] .

Undersøgelse af Higgs-mekanismen for elektrosvag symmetribrud

Et vigtigt punkt på vejen til en mere komplet teori end standardmodellen er studiet af Higgs-mekanismen for symmetribrud af den elektrosvage interaktion . Det er til gengæld mest bekvemt udforsket gennem opdagelsen og undersøgelsen af ​​Higgs-bosonen [7] . Det er et kvantum af det såkaldte Higgs-felt , der passerer gennem hvilket partiklerne erhverver deres masse [5] [8] . Eksistensen af ​​Higgs-bosonet blev forudsagt i 1964 , og dets søgning blev et af hovedformålene med LHC-projektet. Efter den længe ventede meddelelse om opdagelsen af ​​denne partikel i 2012 påtager LHC's videnskabelige program adskillige opgaver for en grundig undersøgelse af dens egenskaber [5] [7] .

Studerer topkvarker

Topkvarken  er den tungeste kvark og generelt den tungeste elementarpartikel, der er opdaget hidtil . På grund af dens store masse (og som følge heraf den energi, der kræves til dens fødsel) før Large Hadron Collider, blev den kun opnået ved én accelerator - Tevatron [9] , ifølge de seneste (2016) resultater, hvoraf [ 10] er massetopkvarken 174,30 ± 0,65 GeV / c² . Det faktum, at dette er meget større end for alle andre kvarker, indikerer den sandsynlige vigtige rolle for topkvarker i mekanismen for elektrosvag symmetribrud. Derudover tjener topkvarker også som et praktisk arbejdsredskab til at studere Higgs-bosonen, hvis en af ​​de vigtigste produktionskanaler er associativ produktion sammen med et top-kvark-antikvark-par, og for pålideligt at adskille sådanne begivenheder fra baggrunden , er der også behov for omhyggelig opmærksomhed.studie af egenskaberne for selve topkvarkerne [7] [9] .

Undersøgelse af kvark-gluon plasma

Ud over proton-proton-kollisioner involverer arbejdsprogrammet for Large Hadron Collider også (i cirka en måned om året) kollisioner af tunge ioner. Når to ultrarelativistiske kerner støder sammen, dannes en tæt og meget varm klump af nukleart stof, som derefter henfalder - kvark-gluon-plasma . At forstå de fænomener, der opstår under overgangen til denne tilstand, hvor stof befandt sig i det tidlige univers, og dets efterfølgende afkøling, når kvarker bliver bundet , er nødvendigt for at opbygge en mere avanceret teori om stærke vekselvirkninger, nyttig både for kernefysik og for astrofysik [5] [7] .

Undersøgelse af foton-hadron og foton-foton kollisioner

Protonen , der er elektrisk ladet, er omgivet af et elektrostatisk felt, der kan betragtes som en sky af virtuelle fotoner . En ultrarelativistisk proton genererer en strøm af næsten rigtige fotoner, der flyver ved siden af ​​den, som bliver endnu stærkere i tilstanden af ​​nukleare kollisioner. Disse fotoner kan kollidere med en modkørende proton, hvilket giver anledning til typiske foton-hadron-kollisioner eller endda med hinanden [7] . Når man studerer kollisionen af ​​protoner, studeres stofs interaktion med højenergifotoner, hvilket er af stor interesse for teoretisk fysik [11] , således også indirekte .

Antimaterie forskning

Antistof skulle være blevet dannet på tidspunktet for Big Bang i samme mængde som stof, men nu observeres det ikke i universet - denne effekt kaldes universets baryonsymmetri . Eksperimenter med Large Hadron Collider kan hjælpe med at forklare det [5] .

Specifikationer

Konstruktion

Acceleratoren er placeret i den samme tunnel, som tidligere var besat af Large Electron-Positron Collider . Tunnelen med en omkreds på 26,7 km blev lagt under jorden i Frankrig og Schweiz . Den underjordiske placering er dikteret af lavere byggeomkostninger, minimere påvirkningen af ​​landskabselementer på eksperimenter og forbedre strålingsbeskyttelsen. Tunnelens dybde er fra 50 til 175 meter, og tunnelringen hælder omkring 1,4 % i forhold til jordens overflade, hvilket også hovedsageligt blev gjort af økonomiske årsager [5] .

Accelerationsringen består af 8 buer (de såkaldte sektorer) og indsætter mellem dem - lige sektioner, i enderne af hvilke der er overgangszoner. Et enkelt arbejdsområde kaldes en oktant - området mellem midtpunkterne af tilstødende buer med en indsats i midten; ringen indeholder således 8 oktanter. Den består af et smalt vakuumrør, hvori bevægelsen af ​​partikler styres af elektromagnetiske enheder: roterende og fokuserende magneter, accelererende resonatorer [5] .

Magnetisk system

Roterende dipolmagneter er installeret i sektorerne (154 i hver sektor, 1232 i alt), på grund af hvis felt protonbundter konstant roterer, forbliver inde i accelerationsringen [12] . Disse magneter er en kabelspole, der indeholder op til 36 tråde med en tykkelse på 15 mm, som hver til gengæld består af et meget stort antal (6000-9000) individuelle fibre med en diameter på 7 mikron. Den samlede længde af kabler er 7.600 km, individuelle ledere er 270.000 km. Kablerne er lavet af lavtemperatursuperleder niobium -titanium og er klassificeret til at fungere ved en temperatur på 1,9 K (−271,3 °C) opretholdt med superflydende helium . Hvert kabel kan holde op til 11,85 kiloampere strøm og skabe et magnetfelt med en induktion på 8,33 Tesla , vinkelret på ringens plan - for dette udføres viklingen langs og ikke rundt om acceleratorens vakuumrør . Den samlede energi lagret i en magnet er cirka 10 MJ. Hver dipolmagnet er 15 meter lang og vejer omkring 35 tons [5] [13] .

Særlige fokuseringsmagneter (i alt 392 quadrupole magneter ) begrænser tværgående oscillationer af protoner og forhindrer dem i at røre ved væggene i et smalt (5 cm i diameter) vakuumrør [5] [12] [14] . Særligt vigtigt er fokuseringen af ​​strålerne foran kollisionspunkterne - op til flere hundrededele af en millimeter - fordi dette sikrer kolliderens høje lysstyrke [5] [13] [14] . Quadrupole magneter, i modsætning til en konventionel optisk linse, kan fokusere en stråle i det lodrette plan, defokusere den i det vandrette plan, eller omvendt, så en kombination af flere quadrupole magneter med forskellige handlinger er påkrævet for at fokusere strålen i begge retninger. Disse magneter, der er over tre meter lange, skaber et magnetfeltfald på 223 Tesla/meter inde i vakuumrøret [13] .

Endelig er der på stedet for protoninjektion i LHC-ringen (2 og 8 oktas), samt ved strålefaldspunktet (6 oktas ), specielle magneter - kickers og septums ( eng  . septa ). Under normal drift af LHC'en slukkes de og tænder kun i det øjeblik, hvor den næste flok protoner kastes ind i kollideren fra den foreløbige accelerator, eller når strålen tages ud af acceleratoren. Hovedtræk ved disse magneter er, at de tænder på omkring 3 mikrosekunder - dette er meget mindre end tiden for en fuldstændig strålerotation ved LHC. For eksempel, hvis strålesporingssystemet registrerer, at det er ude af kontrol, tænder disse magneter ved oktant 6 og fjerner hurtigt strålen fra acceleratoren [13] .  

Partikelacceleration i kollideren

Acceleratoren er designet til kollisioner af protoner med en samlet energi på 14 TeV i massecentersystemet af indfaldende partikler, samt til kollisioner af blykerner med en energi på 1150 TeV eller 10 TeV for hvert par kolliderende nukleoner . Acceleration af partikler til så høje energier opnås i flere trin [5] [12] [15] :

  • Protoner udvindes fra brintgas gennem ionisering . Blyatomer ioniseres også - ved hjælp af en elektrisk strøm, der er i damptilstand, opvarmes til 800 ° C; i dette tilfælde dannes forskellige ladningstilstande, men mest af alt Pb 29+ ioner , som vælges til yderligere acceleration.
  • Lavenergi lineær accelerator Linac 2 [ca. 2] accelererer protoner til en energi på 50 MeV, hvilket svarer til en hastighed på 0,314 c . Blyioner accelereres først af en anden lineær accelerator, Linac 3, op til 4,2 MeV/nukleon, og derefter, når de passerer gennem kulstoffolien, ioniseres de yderligere til Pb 54+ -tilstanden .
  • Protoner injiceres, grupperet i bundter [ca. 3] , ind i protonsynkrotron- boosteren (PS) , hvor de opnår en energi på 1,4 GeV (0,916 s). For Pb 54+ -strålen realiseres det næste accelerationstrin, før det rammer PS, op til 72 MeV/nukleon i lavenergi-ionringen .
  • I PS selv bringes protonernes energi op til 25 GeV (svarende til 0,9993 s), og blyioners energi op til 5,9 GeV/nukleon.
  • Partikelaccelerationen fortsætter i ringacceleratoren SPS (Proton Super Synchrotron), hvor hver af partiklerne i protonbunken får en energi på 450 GeV (0,999998 s). Ionstrålen på den anden side, der er passeret gennem den anden folie og er fuldstændig ioniseret til Pb 29+ tilstanden , accelereres i SPS op til 177 GeV/nukleon.
  • Derefter overføres proton- eller ionstrålen til hovedringen på 26,7 kilometer - både i urets retning og i den modsatte retning. Protonenergien bringes til maksimalt 7 TeV (0,999999991 s) inden for 20 minutter - denne acceleration sker under protonernes flyvning gennem flere resonatorer installeret i 4 oktanter. Ionerne accelereres i hovedringen til 2,56 TeV/nukleon.

Yderligere kan bjælkerne cirkulere i hovedringen af ​​LHC i normal tilstand i timer, bundterne i dem er placeret i konstante positioner i forhold til hinanden. To kolliderende stråler af protoner ved fuld fyldning kan indeholde 2808 bundter hver til gengæld i hver bundt - 100 milliarder protoner [5] [14] . Bunderne går gennem en fuld cirkel af acceleratoren på mindre end 0,0001 sek. og laver således mere end 10 tusinde omdrejninger i sekundet [12] . I processen med acceleration oplever protoner overbelastning ~10 20 g [17] . Hvert ionbundt indeholder 70 millioner blykerner, og deres maksimale antal i hovedringen er 700 [15] . På et givet tidspunkt afbøjes de kolliserende stråler, så de støder sammen i et eller andet punkt i ringen, så det er inde i den ønskede detektor , der registrerer partiklerne dannet som følge af kollisioner [5] [ 14] . For at forhindre de negative konsekvenser af partikelafvigelse i tværplanet fra den ideelle bane, afskæres strålehaloen, der dannes i dette tilfælde, mekanisk ved hjælp af kollimatorer - disse strålerensningssystemer er installeret i oktant 3 og 7. I oktant 6 er der en stråle udstødningssystem: det indeholder hurtige magneter, som, når det er nødvendigt, tænder i meget kort tid (i størrelsesordenen flere mikrosekunder) og afbøjer strålen en smule, som et resultat af hvilket protonerne forlader den cirkulære bane, derefter strålen er ufokuseret, forlader acceleratoren gennem en speciel kanal og absorberes sikkert af massive kulstof-kompositblokke i et separat rum. Strålenulstilling er nødvendig både i en nødsituation — en fejl i det magnetiske styresystem eller en for stærk afvigelse af strålebanen fra den beregnede — og i normal tilstand med et par 10 timers mellemrum under normal drift af acceleratoren, når strålen svækker [12] .

Detektorer

LHC har 4 hoved- og 3 hjælpedetektorer:

  • ALICE (Et stort Ion Collider-eksperiment)
  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
  • CMS (Compact Muon Solenoid)
  • LHCb (The Large Hadron Collider skønhedseksperiment)
  • TOTEM (Total Elastisk og diffraktiv tværsnitsmåling)
  • LHCf (The Large Hadron Collider fremad)
  • MoEDAL (monopol og eksotiske detektor ved LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb er store detektorer placeret omkring strålekollisionspunkter. TOTEM- og LHCf-detektorerne er hjælpe, placeret i en afstand af flere ti meter fra strålekrydsningspunkterne, der er optaget af henholdsvis CMS- og ATLAS-detektorerne, og vil blive brugt sammen med de vigtigste.

ATLAS- og CMS-detektorerne er generelle detektorer designet til at søge efter Higgs-bosonen og "ikke-standardfysik", især mørkt stof , ALICE - til at studere kvark-gluon-plasma i tunge blyion-kollisioner, LHCb - for at studere fysikken af b -kvarker , som gør det muligt bedre at forstå forskellene mellem stof og antistof , er TOTEM designet til at studere spredningen af ​​partikler ved små vinkler, såsom dem, der opstår under tætte spænd uden kollisioner (de såkaldte ikke-kolliderende partikler , fremadgående partikler), som giver dig mulighed for mere præcist at måle størrelsen af ​​protoner, samt kontrollere lysstyrken af ​​kollideren og endelig LHCf - til studiet af kosmiske stråler , modelleret ved hjælp af de samme ikke-kolliderende partikler [18 ] .

LHC's arbejde er også forbundet med den syvende detektor (eksperiment) MoEDAL [19] , som er ret ubetydelig med hensyn til budget og kompleksitet , designet til at søge efter langsomt bevægende tunge partikler.

Under driften af ​​kollideren udføres kollisioner samtidigt ved alle fire skæringspunkter mellem bjælkerne, uanset typen af ​​accelererede partikler (protoner eller kerner). Samtidig indsamler alle detektorer statistik samtidigt.

Energiforbrug

Under driften af ​​kollideren vil det estimerede energiforbrug være 180 MW . Estimeret energiforbrug for hele CERN for 2009, under hensyntagen til den operationelle kollider, er 1000 GW·h, hvoraf 700 GW·h vil blive taget højde for af acceleratoren. Disse energiomkostninger er omkring 10 % af det samlede årlige energiforbrug i kantonen Genève . CERN selv producerer ikke strøm, med kun backup dieselgeneratorer .

Sikkerhedsproblemer

En betydelig mængde opmærksomhed fra medlemmer af offentligheden og medierne er forbundet med diskussionen om katastrofer, der kan opstå i forbindelse med driften af ​​LHC. Den hyppigst diskuterede fare er fremkomsten af ​​mikroskopiske sorte huller , efterfulgt af en kædereaktion med indfangning af det omgivende stof, såvel som truslen om fremkomsten af ​​stropeller , hypotetisk i stand til at omdanne al universets stof til stropeller [20 ] .

Konstruktion og drift

Konstruktion

Idéen til Large Hadron Collider-projektet blev født i 1984 og blev officielt godkendt ti år senere. Dens konstruktion begyndte i 2001 , efter afslutningen af ​​arbejdet med den tidligere accelerator, Large Electron-Positron Collider [21] .

Projektleder - Lyndon Evans .

Den 19. november 2006 blev konstruktionen af ​​en speciel kryogen linje til kølemagneter afsluttet [21] .

Den 27. november 2006 blev den sidste superledende magnet installeret i tunnelen [21] .

Test og drift

2008 Lancering. Crash

I midten af ​​september 2008 blev den første del af de indledende test gennemført med succes [22] . LHC-holdet formåede at affyre og kontinuerligt holde den cirkulerende stråle. [23] De afsendte protonstråler passerede med succes hele omkredsen af ​​kollideren med uret og mod uret [24] . Dette gjorde det muligt at annoncere den officielle lancering af kollideren den 10. september . [25] [26] Men mindre end 2 uger senere, under test af det magnetiske system den 19. september, skete der en ulykke - en quench , som et resultat af, at LHC svigtede [27] . En af de elektriske kontakter mellem de superledende magneter smeltede under påvirkning af en elektrisk lysbue, der opstod på grund af en stigning i strømstyrken, som gennemborede isoleringen af ​​heliumkølesystemet (kryogent system), hvilket førte til deformation af strukturerne, forurening af den indvendige overflade af vakuumrøret med metalpartikler, og også frigivelsen af ​​omkring 6 tons flydende helium i tunnelen. Denne ulykke tvang kollideren til at blive lukket ned for reparationer, hvilket tog resten af ​​2008 og det meste af 2009.

2009-2014. Reduceret energidrift (Kørsel1)

I 2009-2013 opererede kollideren med reduceret energi. Først blev proton-proton-kollisioner udført ved en meget beskeden energi på 1180 GeV pr. stråle efter LHC-standarderne [28] , hvilket ikke desto mindre tillod LHC at slå den tidligere rekord, som tilhørte Tevatron -acceleratoren . Kort efter blev stråleenergien hævet til 3,5 TeV [29] , og i 2012 nåede stråleenergien 4 TeV [30] . Ud over rekorden for energien af ​​protoner i stråler satte LHC undervejs en verdensrekord for maksimal lysstyrke for hadronkolliderer - 4,67⋅10 32 cm −2 ·sek −1 ; den tidligere rekord blev også sat på Tevatron [31] . Det mest berømte videnskabelige resultat af kolliderens arbejde i denne periode var opdagelsen af ​​Higgs Boson [32] [33] [34] .

Stadierne af indsamling af statistik i proton-proton-kollisioner vekslede med perioder med kollision af tunge ioner ( blyioner ) [35] [36] . Kollideren udførte også proton-ion-kollisioner [37] .

Næsten hele 2013-2014 blev optaget af moderniseringen af ​​kollideren, hvor der ikke blev udført kollisioner.

2015-2018 (Kørsel2)

I 2015 blev protoner accelereret til 6,5 TeV, og videnskabelig dataindsamling begyndte ved en samlet kollisionsenergi på 13 TeV. Med årlige pauser til vinteren indsamles statistikken over proton-proton-kollisioner. Det er sædvanligt at vie slutningen af ​​året til tung ionfysik. I november og begyndelsen af ​​december 2016 fandt kollisioner af protoner med blykerner således sted i omkring en måned [38] . I efteråret 2017 fandt en testsession af xenon-kollisioner sted [39] , og i slutningen af ​​2018 blev der gennemført kollisioner af blykerner i en måned [40] .

Udviklingsplaner

Indtil 2018 vil LHC indsamle statistik ved en energi på 13-14 TeV, planen for at akkumulere en integreret lysstyrke på 150 fb −1 . Dette efterfølges af en nedlukning i 2 år for at opgradere kaskaden af ​​præ-acceleratorer for at øge den tilgængelige stråleintensitet, primært SPS , samt den første fase af opgraderingen af ​​detektorerne, som vil fordoble kolliderens lysstyrke . Fra begyndelsen af ​​2021 og frem til udgangen af ​​2023 indsamles statistik ved en energi på 14 TeV med en volumen på 300 fb −1 , hvorefter det planlægges at stoppe i 2,5 år for en væsentlig modernisering af både acceleratoren og detektorerne ( HL-LHC- projektet  - High Luminocity LHC [41] [42] ). Det formodes at øge lysstyrken med yderligere 5-7 gange, på grund af en stigning i strålernes intensitet og en betydelig stigning i fokusering ved mødestedet. Efter lanceringen af ​​HL-LHC i 2026 vil lysstyrkestigningen vare i flere år, det erklærede mål er 3000 fb −1 .

Muligheden for at udføre kollisioner af protoner og elektroner ( LHeC- projekt ) [43] diskuteres også . For at gøre dette skal du vedhæfte en elektronaccelerationslinje. To muligheder diskuteres: tilføjelsen af ​​en lineær elektronaccelerator og placeringen af ​​en ringaccelerator i samme tunnel som LHC. Den nærmeste realiserede analog af LHeC er den tyske elektron-proton-kollider HERA . Det bemærkes, at i modsætning til proton-proton-kollisioner er spredningen af ​​en elektron med en proton en meget "ren" proces, som gør det muligt at studere en protons partonstruktur meget mere omhyggeligt og præcist.

Det menes, at under hensyntagen til alle opgraderingerne, vil LHC virke indtil 2034, men allerede i 2014 besluttede CERN at udarbejde muligheder for yderligere udvikling inden for højenergifysik. Der er påbegyndt en undersøgelse af muligheden for at bygge en kollider med en omkreds på op til 100 km [44] [45] . Projektet kaldes FCC (Future Circular Collider), det kombinerer den sekventielle skabelse af en elektron-positron-maskine (FCC-ee) med en energi på 45-175 GeV i en stråle for at studere Z-, W-, Higgs-bosonerne og t-kvarken og derefter, i samme tunnel, Hadron Collider (FCC-hh) for energier op til 100 TeV [46] .

Distribueret databehandling

For at administrere, gemme og behandle data, der vil komme fra LHC-acceleratoren og detektorerne, oprettes et distribueret computernetværk LCG ( engelsk  LHC Computing GRID ) ved hjælp af grid- teknologi . Til visse beregningsopgaver (beregning og korrektion af magnetparametre ved at simulere bevægelsen af ​​protoner i et magnetfelt), er LHC@home distribueret computerprojekt involveret . Muligheden for at bruge LHC@home-projektet til at behandle de opnåede eksperimentelle data blev også overvejet, men de største vanskeligheder er forbundet med en stor mængde information, der skal overføres til fjerncomputere (hundredvis af gigabyte). Som en del af LHC@Home 2.0 distribueret computerprojekt (Test4Theory) simuleres protonstrålekollisioner for at sammenligne den opnåede model og eksperimentelle data.

Videnskabelige resultater

På grund af den højere energi sammenlignet med de tidligere kollidere, gjorde LHC det muligt at "se" ind i den tidligere utilgængelige energiregion og opnå videnskabelige resultater, der lægger begrænsninger på en række teoretiske modeller.

En kort liste over videnskabelige resultater opnået ved kollideren [48] :

  • Higgs Boson blev opdaget , dens masse blev bestemt til 125,09 ± 0,21 GeV [33] [34] [32] ;
  • ved energier op til 8 TeV er de vigtigste statistiske egenskaber ved protonkollisioner blevet undersøgt: antallet af producerede hadroner , deres hastighedsfordeling, Bose-Einstein- korrelationer af mesoner , langrækkende vinkelkorrelationer og protonstopsandsynligheden;
  • fraværet af asymmetri af protoner og antiprotoner blev vist [49] ;
  • usædvanlige korrelationer blev fundet for protoner udsendt i væsentligt forskellige retninger [50] ;
  • restriktioner for mulige kontaktinteraktioner mellem kvarker blev opnået [51] ;
  • mere overbevisende, i sammenligning med tidligere eksperimenter [52 ] blev der opnået indikationer på forekomsten af ​​kvark-gluon-plasma i nukleare kollisioner [53] ;
  • begivenhederne ved fødslen af ​​hadron-jetfly blev undersøgt ;
  • eksistensen af ​​en topkvark , som tidligere kun er observeret ved Tevatron , blev bekræftet ;
  • to nye kanaler for henfaldet af B s mesoner er blevet opdaget [54] [55] , estimater er blevet opnået for sandsynligheden for supersjældne henfald af B og B s mesoner til muon-antimuon par [56] [57] ;
  • nye, teoretisk forudsagte partikler blev opdaget [58] , [59] og [60 ] ;
  • de første data om rekordstore proton-ion-kollisioner blev opnået [37] , vinkelkorrelationer tidligere observeret i proton-proton-kollisioner blev opdaget [61] [62] ;
  • annoncerede observationen af ​​partiklen Y(4140) , som tidligere kun blev observeret ved Tevatron i 2009 [63] .

Der blev også gjort forsøg på at opdage følgende hypotetiske objekter [64] :

På trods af det mislykkede resultat af søgningen efter disse objekter blev der opnået strengere begrænsninger på den mindst mulige masse af hver af dem. Efterhånden som statistikken akkumuleres, bliver restriktionerne for minimumsmassen for de listede objekter strengere.

Andre resultater
  • Resultaterne af LHCf- eksperimentet , som fungerede i de første uger efter lanceringen af ​​LHC, viste, at energifordelingen af ​​fotoner i området fra nul til 3,5 TeV er dårligt beskrevet af programmer, der simulerer denne proces, hvilket fører til uoverensstemmelser mellem reelle og modeldata med 2-3 gange (for den højeste fotonenergi, fra 3 til 3,5 TeV, giver alle modeller forudsigelser, der er næsten en størrelsesorden højere end de reelle data) [70] .
  • Den 15. november 2012 annoncerede CMS -samarbejdet observationen af ​​en Y(4140) -partikel med en masse på 4148,2 ± 2,0 (stat) ± 4,6 (sys) MeV/c² (statistisk signifikant over 5σ), tidligere kun observeret ved Tevatron i 2009 d. Observationerne blev foretaget under bearbejdning af statistik over 5,2 fb −1 protonkollisioner ved en energi på 7 TeV. Det observerede henfald af denne partikel til en J/ψ-meson og en Phi-meson er ikke beskrevet inden for rammerne af standardmodellen [63] [71] .
  • Den 14. juli 2015 blev opdagelsen af ​​en klasse af partikler kendt som pentaquarks annonceret af LHCb- samarbejdet . [72] [73]

Projektfinansiering

I 2001 forventedes de samlede omkostninger ved projektet at være omkring 4,6 milliarder CHF (3 milliarder euro) for selve acceleratoren (uden detektorer) og 1,1 milliarder CHF (700 millioner euro) for CERNs andel af eksperimenterne (dvs. konstruktion og vedligeholdelse af detektorer) [74] .

Konstruktionen af ​​LHC blev godkendt i 1995 med et budget på 2,6 milliarder schweizerfranc (1,6 milliarder euro) og yderligere 210 millioner schweizerfranc (140 millioner euro) til eksperimenter (dvs. detektorer, dataindsamling og behandling). I 2001 blev disse omkostninger øget med 480 millioner francs (300 millioner euro) til acceleratoren og 50 millioner francs (30 millioner euro) til eksperimenter (omkostninger direkte tilskrevet CERN), hvilket på grund af budgetnedskæringer hos CERN førte til en skift i de planlagte datoer for introduktion fra 2005 til april 2007 [75] .

Projektbudgettet i november 2009 var $6 milliarder til opførelsen af ​​anlægget, som tog syv år at færdiggøre. Partikelacceleratoren blev skabt under ledelse af CERN. Cirka 700 [76] specialister fra Rusland var involveret i projektet, som deltog i udviklingen af ​​LHC-detektorerne [77] . De samlede omkostninger for ordrer modtaget af russiske virksomheder nåede ifølge nogle skøn op på 120 millioner dollars [78] .

De officielle omkostninger ved LHC-projektet inkluderer ikke omkostningerne til infrastruktur og udviklinger, der tidligere fandtes på CERN. Således blev LHC's hovedudstyr installeret i tunnelen af ​​den tidligere eksisterende LEP-kollider, mens den multi-kilometer SPS-ring blev brugt som en foreløbig accelerator. Hvis LHC skulle bygges fra bunden, ville dens omkostninger være meget højere.

Refleksion i kunsten

  • I science fiction-forfatteren Max Ostrogin fortæller "Den store røde knap" om begyndelsen af ​​apokalypsen efter at have tændt kollideren med fuld kraft .
  • Der er en filk- gruppe på CERN , Les Horribles Cernettes , hvis forkortelse er den samme som LHC. Den første sang fra denne gruppe "Collider" var dedikeret til en fyr, der glemte sin kæreste, der blev revet med af skabelsen af ​​en kolliderer [79] .
  • I den fjerde sæson af science fiction tv-serien Lexx ender hovedpersonerne på Jorden . Jorden viser sig at være en "type 13" planet i det sidste udviklingstrin. Type 13-planeter ødelægger altid sig selv, som et resultat af krige eller et mislykket forsøg på at bestemme massen af ​​Higgs-bosonen ved en superstærk partikelaccelerator.
  • I Flash.
  • I det sjette afsnit af den trettende sæson af den animerede serie " South Park ", ved hjælp af en magnet fra Large Hadron Collider, blev FTL opnået ved Pinewood Derby-konkurrencen.
  • I Angels & Demons af Dan Brown blev antistof fra Large Hadron Collider stjålet, og tyvene ville sprænge Vatikanet i luften med det.
  • I BBC -filmen End of the World var det sidste af de fire mest sandsynlige apokalypse-scenarier en eksplosion under lanceringen af ​​den seneste partikelaccelerator, som førte til dannelsen af ​​et sort hul. Men inviterede eksperter hævder, at sandsynligheden for en katastrofe er oppustet af den "gule presse", mens sandsynligheden for en tsunami, en asteroide falder eller en dødelig epidemi er meget højere.
  • I afsnit 13 af sæson 1 af sci-fi-serien Odyssey 5 ender hovedpersonerne på CERN , hvor lokale videnskabsmænd og ansatte forsikrer, at LHC er fuldstændig sikker, baseret på foreløbige beregninger. Men som det viste sig senere, hackede en form for cyberintelligens og trængte ind på CERNs hovedcomputer og forfalskede de generelle beregninger. Efter at have fundet ud af dette, baseret på nye korrekte beregninger, finder forskerne ud af, at der er stor sandsynlighed for udseendet af strangelets i kollideren, hvilket uundgåeligt vil føre til verdens ende.
  • I den spanske tv-serie " The Ark " og dens russiske version " The Ship " gik alle kontinenter under vand på grund af eksplosionen af ​​LHC. I en af ​​serierne i den animerede serie "American Dad" kan verdens undergang også ske på grund af hadron-kollideren, men ikke et eneste land vil synke.
  • Den visuelle roman, anime og manga Steins;Gate lavede flere referencer til LHC; CERN blev også nævnt som udvikleren af ​​tidsmaskinen.
  • I Futurama -animationsserien køber professor Farnsworth en kollider fra Picay. Efter et stykke tid erklærer han: "superkollideren supereksploderede (i andre tilfælde ville planeten være død med et" simpelt klik ")".
  • Joe Haldemans bog " Infinite World " beskriver blandt andet processen med at skabe en gigantisk accelerator, hvis lancering skulle føre til en stor eksplosion, der vil give anledning til et nyt univers, og samtidig ødelægge det eksisterende.
  • I computerspillet Eureka! »et af målene er at returnere LHC til Jorden .
  • I 2009 lavede Nikolai Polissky sammen med Nikola-Lenivets-håndværket en installation af træ og vinstokke i det centrale rum på Museum of Modern Art of Luxembourg MUDAM , som han kaldte " Large Hadron Collider " [80] .
  • Hadron Collider kan bygges i Rise of Nations .
  • LHC blev nævnt i det første afsnit af den femte sæson af Breaking Bad .
  • I tv-serien The Big Bang Theory bliver LHC hyppigt nævnt af hovedfysikere som et sted, de meget gerne vil besøge. Desuden nåede flere stadig at besøge Schweiz og se ham.
  • I bysimuleringen Cities: Skylines optræder Hadron Collider som et monument.
  • I musikvideoen til sangen Redshift af det britiske band Enter Shikari er LHC skaberen af ​​det sorte hul.
  • Det fjortende studiealbum af det amerikanske metalband Megadeth har titlen Super Collider, og LHC er med på albumcoveret.
Populærvidenskabelige film
  • "BBC: The Big Bang Machine" ( eng.  The Big Bang Machine ) - populærvidenskabelig film , BBC , 2008.
  • "Den Store Hadron Collider. The Fellowship of the Ring - populærvidenskabelig film, Kanal 5 , 2010.
  • BBC. Horizon: The  Hunt for the Higgs - A Horizon Special ) - populærvidenskabelig film, 2012.
  • "Videnskab 2.0. interaktionspunkt. CERN" - populærvidenskabelig film, VGTRK , 2012.
  • "Passion for partikler / Partikelfeber" - en dokumentarfilm, 2013.
  • "Videnskab 2.0. Ud over. Collider - dokumentarfilm, 2017.
  • Google Street View modtog i september 2013 panoramabilleder af kollideren [81] .

Se også

Noter

Noter
  1. I dette tilfælde bør en række effekter, der er fraværende i standardmodellen forventes ved LHC, for eksempel fødslen af ​​gravitoner , der vil flyve væk fra vores verden til ekstra dimensioner, og mikroskopiske sorte huller , der straks fordamper med emission af mange almindelige partikler [6] .
  2. I fremtiden er det planlagt at erstatte det med Linac 4 [16] .
  3. Protonstrålen er ikke en homogen kontinuerlig "stråle", men er opdelt i separate bundter af protoner, der flyver efter hinanden i en nøje defineret afstand. Hver koagel har en længde på flere titusinder af centimeter og en tykkelse på fraktioner af en millimeter. Dette gøres primært af hensyn til bekvemmeligheden ved at accelerere protoner i resonatorer [14] .
Fodnoter
  1. Roger Highfield. Large Hadron Collider: Tretten måder at ændre verden på . Telegraph (16. september 2008). Dato for adgang: 13. januar 2016.
  2. Den ultimative guide til LHC  (engelsk) S. 30.
  3. LHC: nøglefakta . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  4. Mysteries of the Large Hadron Collider: januar 2016 . Elements.ru .
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 LHC - guiden -  faq . CERN (feb 2017). Dato for adgang: 14. juni 2020.
  6. 1 2 3 4 Beyond the Standard Model .
  7. 1 2 3 4 5 6 7 Udfordringer som LHC står over for . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  8. Higgs mekanisme for elektrosvag symmetribrud . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  9. 1 2 Program til undersøgelse af topkvarken . Elements.ru . Dato for adgang: 21. juni 2020.
  10. Tevatron Electroweak-arbejdsgruppen for CDF- og D0-samarbejdet. Kombination af CDF og D0 resultater på massen af ​​topkvarken ved brug af op til 9,7 fb −1 ved Tevatron  : [ eng. ] // FERMILAB-CONF-16-298-E TEVEWWG/top2016/01. - 2016. - Juli. - C. CDF Note 11204D0 Note 6486.
  11. Den mangesidede proton . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  12. 1 2 3 4 5 LHC-enhed . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  13. 1 2 3 4 LHC magnetisk system . Elements.ru . Dato for adgang: 7. august 2020.
  14. 1 2 3 4 5 Protonstråler ved LHC . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  15. 1 2 Cid R., Cid-Vidal X. LHC Pb-kollisioner  . Ser nærmere på LHC . Dato for adgang: 26. september 2020.
  16. Lineær accelerator 2  . CERN. Dato for adgang: 29. september 2020.
  17. https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0104030.pdf
  18. CERN/Eksperimenter . CERN . Dato for adgang: 13. januar 2016.
  19. Et eksperiment for at søge efter monopoler vil blive udført på LHC . Elementy.ru (21. marts 2010). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  20. ↑ Potentialet for fare i partikelkollidereksperimenter 
  21. 1 2 3 LHC: A Chronology of Creation and Operation .
  22. LHC -synkroniseringstest lykkedes 
  23. Stabil cirkulerende stråle afsendt ved LHC . Elementy.ru (12. september 2008). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  24. Mission fuldført for LHC-holdet . IOP Physics World. Hentet 12. september 2008. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  25. LHC-milepælsdagen starter hurtigt . IOP Physics World. Hentet 12. september 2008. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  26. Første stråle i den LHC-accelererende videnskab . CERN . Dato for adgang: 13. januar 2016.
  27. Ulykke ved Large Hadron Collider forsinker eksperimenter på ubestemt tid . Elementy.ru (19. september 2008). Dato for adgang: 7. januar 2011. Arkiveret fra originalen 23. august 2011.
  28. Stråler af protoner i LHC blev spredt til en rekordenergi . Lenta.ru (30. november 2009). Hentet: 13. august 2010.
  29. Kollisioner af protoner med en rekordenergi på 7 TeV fandt sted i LHC . RIA Novosti (30. marts 2010). Hentet 13. august 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  30. Elements - videnskabsnyheder: Protoner accelererede til 4 TeV for første gang .
  31. LHC satte en rekord for lysstyrken af ​​stråler . Lenta.ru (22. april 2011). Hentet: 21. juni 2011.
  32. 1 2 Elementer - videnskabsnyheder: Higgs bosonopdagelse annonceret på CERN .
  33. 1 2 CERN-eksperimenter observerer partikel i overensstemmelse med længe søgt Higgs-boson .
  34. 1 2 Udforskning af Higgs-bosonen .
  35. Arbejdet med protonstråler slutter i 2010 . Elements.ru (1. november 2011). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  36. LHC går ind i en ny fase CERN, 4. november 2010
  37. 1 2 Elementer - Videnskabsnyheder: ALICE Collaboration præsenterer første data om proton-nukleare kollisioner (link utilgængeligt) . Arkiveret fra originalen den 29. oktober 2012. 
  38. Nyheder om Large Hadron Collider: En session med proton-nucleus-kollisioner fandt sted ved LHC
  39. Igor Ivanov . CERN opsummerede kollideråret 2017 , Large Hadron Collider , "Elements" (10.01.2018). Hentet 14. juni 2020.
  40. LHC-arbejde i 2018 . "Elementer". Dato for adgang: 14. juni 2020.
  41. En lysende fremtid for LHC , CERN Courier, 23. februar 2015.
  42. Elements - videnskabsnyheder: Ti-årigt projekt for at skabe nye magneter til LHC ender med succes .
  43. Fremtidig elektron-proton kolliderer baseret på LHC . Elementy.ru (27. august 2008). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  44. CERN-fysikere overvejer planen for en ny kæmpekollider . Mail.Ru (6. februar 2014). Dato for adgang: 7. februar 2014. Arkiveret fra originalen 7. februar 2014.
  45. The Future Circular Collider study , CERN Courier, 28. marts 2014.
  46. Future Circular Collider Study
  47. LHC resultater . Elements.ru . Hentet: 11. marts 2020.
  48. LHC resultater i 2010 . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  49. ALICE-resultater om proton-antiproton-asymmetri satte en stopper for en langvarig strid . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  50. CMS-detektor registrerer usædvanlige partikelkorrelationer . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  51. CMS-detektoren forbedrede ATLAS-begrænsningen på eksistensen af ​​kontaktinteraktioner . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  52. Lignende undersøgelser blev udført tidligere ved RHIC -kollideren , og nogle gange ved kollisioner ved RHIC var det muligt at opnå indirekte tegn på fremkomsten af ​​kvark-gluon-plasma , men resultaterne af LHC-eksperimenterne ser meget mere overbevisende ud.
  53. ATLAS-detektor detekterede jet-ubalance ved atomkollisioner . Elements.ru . Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  54. LHCb-samarbejde. Første observation af B 0 s → J/ψ f 0 (980) henfalder // Fysik bogstaver B. - 2011. - V. 698 , nr. 2 . - S. 115-122 . - doi : 10.1016/j.physletb.2011.03.006 . - arXiv : 1102.0206 .
  55. LHCb-samarbejde. Første observation af B s → D_{s2}^{*+} X μ ν henfalder // Fysik bogstaver B. - 2011. - V. 698 , nr. 1 . - S. 14-20 . - doi : 10.1016/j.physletb.2011.02.039 . - arXiv : 1102.0348 .
  56. Elements - videnskabsnyheder: LHCb-detektor ser det vigtigste ultra-sjældne henfald af Bs-mesoner (utilgængeligt link) . Arkiveret fra originalen den 2. februar 2013. 
  57. Første bevis for forfaldet $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ . CERN dokumentserver .
  58. G. Aad et al. (ATLAS Samarbejde). Observation af en ny χ b -tilstand i strålingsovergange til Υ (1 S ) og Υ (2 S ) ved ATLAS // Phys. Rev. Lett.. - 2012. - Vol. 108 (9. april). - S. 152001. - arXiv : 1112.5154 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.108.152001 .
  59. S. Chatrchyan et al. (CMS-samarbejde). Observation af en ny Ξ b Baryon, Phys. Rev. Lett.. - 2012. - Vol. 108 (21. juni). - S. 252002. - arXiv : 1204.5955 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.108.252002 .
  60. R. Aaij et al. (LHCb Samarbejde). Observation af ophidsede baryoner // Phys. Rev. Lett.. - Vol. 109. - S. 172003. - arXiv : 1205.3452 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.109.172003 .
  61. Elementer - Videnskabsnyheder: CMS-samarbejde ser sammenhænge i proton-nukleare kollisioner .
  62. S. Chatrchyan et al (CMS Collaboration). Observation af langtrækkende, nær-side vinkelkorrelationer i pPb-kollisioner ved LHC // Physics Letters B. - 2013. - Vol. 718, nr. 3 (8. januar). - s. 795-814. - arXiv : 1210.5482v2 . - doi : 10.1016/j.physletb.2012.11.025 .
  63. 1 2 Ny partikellignende struktur bekræftet ved LHC . symmetri magasin.
  64. Søgningen efter eksotiske partikler: resultater .
  65. Mikroskopiske sorte huller er ikke synlige ved LHC . Elementy.ru (16. december 2010). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  66. ATLAS-detektor søgte, men fandt ikke ophidsede kvarker . Elementy.ru (19. august 2010). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  67. CMS Collaboration afslører de første resultater om søgning efter supersymmetri . Elementy.ru (19. december 2010). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  68. Søgningen efter leptoquarks gav et negativt resultat . Elementy.ru (26. december 2010). Hentet 28. december 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  69. Elementer - videnskabsnyheder: Hypotetiske W'- og Z'-bosoner er stadig ikke synlige .
  70. De første resultater af LHCf-eksperimentet blev offentliggjort . Elements.ru . Hentet 2. maj 2011. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  71. FysikresultaterBPH11026 < CMSPublic < TWiki Observation af strukturer i J/psi phi spektrum i eksklusive B+ → J/psi phi K+ henfald ved 7 TeV: BPH-11-026 .
  72. CERNs LHCb-eksperiment rapporterer observation af eksotiske pentaquark-partikler .
  73. Rincon, Paul . Large Hadron Collider opdager ny pentaquark partikel , BBC News  (1. juli 2015). Hentet 14. juli 2015.
  74. CERN Spørg en ekspertservice / Hvor meget koster det? . CERN. Arkiveret fra originalen den 24. august 2011.
  75. Luciano Maiani. LHC omkostningsgennemgang til færdiggørelse . CERN (16. oktober 2001). Arkiveret fra originalen den 24. august 2011.
  76. Large Hadron Collider blev skabt af mere end 700 russiske fysikere . RIA Novosti .
  77. Pandoras æske åbner . Vesti.ru (9. september 2008). Hentet 12. september 2008.
  78. Forskere forbereder sig på at genstarte LHC . Business FM (20. november 2009). Arkiveret fra originalen den 24. august 2011.
  79. Collider - Les Horribles Cernettes .
  80. Popova Julia . Hadron-kolliderer fra Nikola-Lenivets // Expert . - 2009. - nr. 17-18 (656). — 11 maj.
  81. Google Street View giver dig mulighed for virtuelt at gå rundt i Large Hadron Collider . Elementy.ru (27. september 2013). Hentet: 30. september 2013.

Litteratur

Links