Великий адронний колайдер

Зміст Вступ. Утворення Всесвіту. Великий Вибух Утворення Всесвіту. Великий Вибух Утворення матерії антиматерії Стівен Хокінг Мета створенняколайдера та поставлені цілі Великий адронний колайдер Географічне розташування Будова та технічні характеристики Детектори Комп'ютерна система Український внесок Загрози Загрози

Вели́кий ви́бух (англ. Big Bang Theory) фізико-космологічна теорія, згідно з якою Всесвіт виник із надзвичайно щільного та гарячого стану приблизно 13,7 мільярдів років тому. Вона ґрунтується на екстраполяції в минуле факту розбігання небесних тіл за законом Хаббла та на моделі Всесвіту, запропонованій Олексанром Фрідманом. Теорію зародження і еволюції Всесвіту, яку сьогодні називають «теорією великого вибуху» запропонував 1931 року бельгійський абат і астроном Жорж Леметр. Знаючи про розбігання галактик, про що свідчили спостереження Едвіна Хаббла, та незалежно отримавши рівняння Фрідмана, Леметр припустив, що розбігання галактик можна екстраполювати в минуле, звівши все до єдиної точки, яку абат називав «первинним атомом». Назву «великий вибух» теорії дав у виступі на радіо її противник Фред Гойл: «big bang» означає англійською мовою радше «великий бах» саме так Гойл зневажливо охарактеризував гіпотезу Леметра. Однак, вираз прижився і втратив початкове негативне забарвлення.

Подальше розширення до часів порядку с призвело до переходу матерії в стан, про яку можна говорити впевненіше, оскільки він вивчається фізикою високих енергій. У час приблизно 10-6 c в охолодженій при розширенні кварк-глюонній плазмі почали утворюватися баріони протони та нейтрони. Енергії цих частинок уже не вистачало для народження пар, а тому почалася масова анігіляція уціліла тільки одна частинка на 1010, атичастинки зникли зовсім. Через кілька хвилин після вибуху розпочався первинний нуклеосинтез з утворенням важчих багатонуклонних ядер. Нейтральні атоми стали утворюватися приблизно через 400 тис. років. Цей процес супроводжувався виникненням реліктового випромінювання, оскільки в плазмі електромагнітне поле невідривно зв'язане із зарядженими частинками, а при утворенні нейтральних частинок воно вивільнюється. Поступово в однорідному газі нейтральної речовини почали утворюватися газові туманності, а ще пізніше зірки.

Атом антиводню складається з негативно зарядженого антипротона і позитрона - античастинок протона і електрона. Основне завдання вчених експерименту "Альфа", а також іншої колаборації ЦЕРН - "Атрап", порівняти рівні енергії антиводню і водню для того, щоб підтвердити, що антиматерія володіє такою ж силою електромагнітного впливу, що і матерія Це припущення лежить в основі теорії Великого вибуху, що призвів, за однією з версій, до утворення нашого Всесвіту. Великий вибух 13 млрд років тому створив однакове число матерії і антиматерії, проте остання зникла. Її пошуком і займаються вчені, щоб пояснити асиметрію, що виникла в нашому світі, знайти її джерело і пояснити розвиток Всесвіту. Фізикам Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН) вдалося створити і утримати протягом тривалого часу антиматерію, що може допомогти їм розгадати одну з найбільших таємниць в науці. У статті в британському журналі Nature вчені ЦЕРН пишуть про те, що їм вдалося відтворити у вакуумі 38 атомів антиводню, деякі з яких проіснували одну десяту частку секунди, що дало вченим достатній ґрунт для їх вивчення.

Незважаючи на тяжку хворобу, Хокінґ веде активне життя. Дослідження Хокінґа переважно стосуються космології та квантової гравітації. Його основні досягнення: використання термодинаміки до чорних дір, доведення того, що чорні діри "випаровуються" за рахунок явища, яке отримало назву випромінювання Хокінга. 21 липня 2004 Хокінґ представив доповідь, в якій виклав свою точку зору на розв'язання парадоксу про зникнення інформації в чорній дірі. Хокінґ активно займається популяризацією науки. У квітні 1988 року вийшла його книга «Коротка історія часу», яка стала бестселером. Завдяки цій книзі Хокінґ став відомим на весь світ. Стівен Хокінґ народився в 1942 році. В 1962 він закінчив Оксфордський університет та почав зайняття теоретичною фізикою. Саме тоді у нього почали з'являтись ознаки бокового аміотрофічного склерозу, які призвели до паралічу. Після операції на горлі в 1985 році Хокінґ втратив здатність говорити. Друзі подарували йому синтезатор мовлення, який було встановлено на його візку та з допомогою якого Хокінґ може спілкуватися з людьми.

Мета створення колайдера та поставлені цілі. На початку XX століття у фізиці з'явилися дві основоположні теорії - загальна теорія відносності (ЗТВ) Альберта Ейнштейна, яка описує Всесвіт на макрорівні, і квантова теорія поля, яка описує Всесвіт на мікрорівні. Проблема в тому, що ці теорії несумісні одна з одною. Наприклад, для адекватного опису того, що відбувається у чорних дірах потрібні обидві теорії, а вони вступають у протиріччя. Ейнштейн багато років намагався розробити єдину теорію поля, але безуспішно, оскільки ігнорував квантову механіку. Наприкінці 1960-х фізикам вдалося розробити Стандартну модель (СМ), яка об'єднує три із чотирьох фундаментальних взаємодій - сильну, слабку і електромагнітну. Гравітаційна взаємодія описується у термінах ЗТВ. Таким чином, у даний час фундаментальні взаємодії описуються двома загальноприйнятими теоріями: ЗТВ та СМ. Їх об'єднання поки досягти не вдалося через труднощі створення теорії квантової гравітації. ВАК дозволить провести експерименти, які раніше було неможливо провести. Так, існує цілий спектр фізичних теорій із розмірністю більше чотирьох, які припускають існування «суперсиметрії» - наприклад, теорія струн, яку іноді називають теорією суперструн саме через те, що без суперсиметрії вона втрачає фізичний зміст. Підтвердження існування суперсиметрії, таким чином, буде непрямим підтвердженням істинності цих теорій.

Вивчення топ-кварків Топ-кварк - найважчий кварк і, більше того, це найважча з відкритих поки елементарних частинок. Згідно останніх результатіви Теватрон, його маса становить 173,1 ± 1,3 ГеВ / c ². Через свою велику масу топ-кварк до цих пір спостерігався поки що лише на одному прискорювачі - Теватрон, на інших прискорювачах просто не вистачало енергії для його застосування. Крім того, топ-кварки цікавлять фізиків не тільки самі по собі, але і як «робочий інструмент» для вивчення хіггсівського бозона. Один із найбільш важливих каналів народження хіггсівського бозона в ВАК - асоціативне народження разом з топ-кварк- антикварковою парою. Для того, щоб надійно відокремлювати такі події від фону, треба спочатку добре вивчити властивості самих топ- кварків. Вивчення механізму електрослабкої симетрії Однією із основних цілей проекту є експериментальне підтвердження існування бозона Хіггса - частинки, передбаченої шотландським фізиком Пітером Хігсом у 1960 році в рамках Стандартної Моделі. Бозон Хіггса є квантом так званого поля Хіггса, при проходженні через яке частинки зазнають опору, що уявляється нам як поправка до маси. Сам бозон нестабільний і має велику масу (більше 120 ГеВ / c ²). Насправді, фізиків цікавить не стільки сам бозон Хігса, скільки бозон механізм порушення симетрії електрослабкої взаємодії.. Вивчення кварк-глюонної плазми Очікується, що приблизно один місяць на рік прискорювач буде працювати в режимі ядерних зіткнень. Будуть відбуватися не тільки протонні зіткнення, але і зіткнення ядер свинцю. Моделювання процесу зародження Бозону Хігса в детекторі CMS

Вивчення фотон-адронів і фотон-фотонних зіткнень Електромагнітна взаємодія частинок описується як обмін (у ряді випадків віртуальними) фотонами. Іншими словами, фотони є переносниками електромагнітного поля. Протони електрично заряджені і оточені електростатичним полем, відповідно це поле можна розглядати як хмару віртуальних фотонів. Всякий протон, особливо релятивістський протон, включає в себе хмару віртуальних частинок як складову частину. При зіткненні протонів між собою взаємодіють і віртуальні частинки, що оточують кожен з протонів. Математично процес взаємодії частинок описується довгим рядом поправок, кожна із яких описує взаємодію за допомогою віртуальних частинок певного типу. Таким чином, досліджуючи зіткнення протонів, побічно вивчається і взаємодія речовини із фотонами високих енергій, що представляє великий інтерес для теоретичної фізики. Також розглядається особливий клас реакцій - безпосередня взаємодія двох фотонів. Тобто, фотони можуть зіткнутися як із зустрічним протоном, породжуючи як типові фотон-адронний зіткнення, так і один з одним. У режимі ядерних зіткнень, через велику електричного заряду ядра, вплив електромагнітних процесів має ще більше значення. Перевірка екзотичних теорій Теоретики наприкінці XX століття висунули величезне число незвичайних ідей щодо світопобудови, які всі разом називаються «екзотичними моделями». Сюди відносяться теорії із сильною гравітацією на масштабі енергій порядку 1 ТеВ, моделі з великою кількістю просторових вимірів, преонние моделі, в яких кварки і лептони є складовими частками, моделі з новими типами взаємодії. Справа в тому, що накопичених експериментальних даних виявляється усе ще недостатньо для створення однієї-єдиної теорії. А самі всі ці теорії сумісні із наявними експериментальними даними. Оскільки в цих теоріях можна зробити конкретні прогнози для ВАК, експериментатори планують перевіряти передбачення і шукати сліди тих чи інших теорій у своїх даних. Очікується, що результати, отримані на прискорювачі, зможуть обмежити фантазію теоретиків, закривши деякі із запропонованих побудов.

Великий адронний колайдер Великий адронний коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC) найбільший у світі прискорювач елементарних частинок, створений у Європейському центрі ядерних досліджень (CERN), поблизу Женеви (Швейцарія). Фінансування та розробку проекту здійснюють понад 10,000 науковців та інженерів, представників різних університетів і лабораторій з понад 100 країн світу. Прискорювач пролягає в тунелі (у формі тора діаметром 27 км) на глибині до 175 метрів ( 570футів ) під землею на кордоні Франції та Швейцарії, поблизу Женеви, Швейцарії. Як свідчить назва, він призначений для прискорювання адронів, зокрема протонів і важких іонів

Детектори і підсилювачі ВАК

Будова та технічні характеристики У прискорювачі передбачається зіткнення протонів із сумарною енергією 14 ТеВ (тобто 14 тераелектронвольт або Електронвольт) у системі центру мас налітають частинки, а також ядра свинцю із енергією 5,5 ГеВ (5,5 · 109 Електронвольт) на кожну пару зіткнення нуклонів. На початок 2010-го року ВАК вже дещо перевершив по енергії протонів попереднього рекордсмена - протон-антипротон Теватрон, який в даний час працює в Національній прискорювальної лабораторії ім. Енріко Фермі (США). У майбутньому, коли налагодження устаткування буде завершено, ВАК буде самим високоенергійним прискорювачем елементарних частинок у світі, на порядок перевершуючи по енергії решту коллайдерів, у т.ч. і релятивістський коллайдер важких іонів RHIC, що працює в Брукхейвенській лабораторії (США). Прискорювач розташований в тому ж тунелі, який раніше займав Великий електрон-позитронного коллайдера. Тунель з довжиною кола 26,7 км прокладений під землею на території Франції і Швейцарії. Глибина залягання тунелю - від 50 до 175 метрів, причому кільце тунелю нахилене приблизно на 1,4% відносно поверхні землі. Для втримання й корекції протонних пучків використовуються 1624 надпровідних магніта, загальна довжина яких перевищує 22 км. Магніти працюють при температурі 1,9 K (-271 ° C), що трохи нижче температури переходу гелію в надтекучий стан.

Детектори На ВАК будуть працювати 4 основних і 2 допоміжних детектора: ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) CMS (Compact Muon Solenoid) CMS (Compact Muon Solenoid) LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment) LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment) TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) LHCf (The Large Hadron Collider forward). LHCf (The Large Hadron Collider forward). ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - великі детектори, розташовані навколо точок зіткнення пучків. Детектори TOTEM і LHCf - допоміжні, знаходяться на видаленні у кілька десятків метрів від точок пересченія пучків, займаних детекторами CMS і ATLAS відповідно, і будуть використовуватися попутно з основними. Детектори ATLAS і CMS - детектори загального призначення, призначені для пошуку бозона Хіггса і «нестандартної фізики», зокрема темної матерії, ALICE - для вивчення кварк- глюонної плазми в зіткненнях важких іонів свинцю, LHCb - для дослідження фізики b- кварків, що дозволить краще зрозуміти відмінності між матерії й антиматерії, TOTEM - призначений для вивчення розсіювання частинок на малі кути, таких що відбувається при близьких прольотах без зіткнень (так звані несталківающіеся частинки, forward particles), що дозволить точніше виміряти розмір протонів, а також контролювати світність коллайдера, і, нарешті, LHCf - для дослідження космічних променів, що моделюються за допомогою тих же несталківающіхся частинок. З роботою ВАК пов'язаний також сьомий, зовсім незначний в плані бюджету і складності, детектор (експеримент) MoEDAL, призначений для пошуку повільно рухомих важких частинок.

CMS -детектор Детектор ATLAS,листопад2006

Процес прискорення частинок у колайдері Швидкість часток у ВАК на зустрічних пучках близька до швидкості світла у вакуумі. Розгін частинок до таких великих швидкостей досягається в кілька етапів. На першому етапі нізкоенергетічние лінійні прискорювачі Linac 2 і Linac 3 виробляють інжекції протонів та іонів свинцю для подальшого прискорення. Потім частинки потрапляють в PS-бустер і далі в сам PS (протонний синхротрон), набуваючи енергію в 28 ГеВ. Після цього прискорення частинок продовжується в SPS (протонний суперсінхротрон), де енергія частинок досягає 450 ГеВ. Потім пучок направляють в головне 26,7-кілометрову кільце, доводячи енергію протонів до максимальних 7 ТеВ, і в точках зіткнення детектори фіксують події, що відбуваються. За словами Російського вченого Ігоря Іванова, кінетична енергія пучка адронів в Баку порівнянна з кінетичною енергією реактивного літака, хоча маса частинок в пучку не перевищує нанограм і їх навіть не можна побачити неозброєним оком. Така енергія досягається за рахунок колосальної швидкості частинок, близької до швидкості світла. Плани на найближчі кілька років Плани на найближчі кілька років На 30 березня 2010 заплановано початок зіткнень з сумарною енергією 7 ТеВ. У такому режимі коллайдер повинен пропрацювати до літа або осені 2011-го року, коли буде закритий на довготривалий ремонт. Ремонт займе рік або більш тривалий час. Після ремонту очікується підвищення енергії протонів до проектної енергії в 7 ТЕВ на пучок

Комп'ютерна система, яку буде використовувати наука для забезпечення експериментів на LHC, багаторівнева. Центральна частина (рівень 0) знаходиться в ЦЕРН. Вона сполучена широкосмуговими каналами зв'язку з регіональними центрами першого рівня, в яких зберігаються основні бази даних. Ці центри, в свою чергу, сполучені з безліччю локальних центрів другого рівня, в яких виконуються завдання аналізу і моделювання подій. Кілька років тому народилася концепція GRID, яка передбачає глобальну інтеграцію інформаційних і обчислювальних ресурсів. У січні 2001 року з ініціативи ЦЕРН стартував проект EU-dataGrid, що має метою випробування і розвиток новітніх технологій GRID. У рамках цього проекту пропонується регіональні центри першого рівня і частина центрів другого рівня об'єднати в єдиний GRID-сегмент ( хмара регіональних центрів) для узгодженого використання їхніх ресурсів. Комп'ютерна система LHC стає прекрасним випробувальним полігоном для технологій GRID, оскільки постійне співробітництво багатьох лабораторій і об'єднання різноманітних ресурсів – це саме те, що найбільше відповідає концепції GRID. Справа в тому, що завдання LHC – виявити нові частинки, і в першу чергу Хіггса. Але в зіткненні двох протонів з колосальною енергією народжуються тисячі частинок, і нові серед них у кращому випадку можна тільки побачити, але аж ніяк не вивчити. Для пильного вивчення нових частинок, їх властивостей і продуктів розпаду набагато краще підійде інший прискорювач, в якому будуть стикатися електрони і позитрони. У такому зіткненні завжди народжується тільки те, що потрібно, без жодних додаткових тисяч заважають частинок. Але будувати цей новий прискорювач має сенс тільки після того, як на LHC будуть знайдені нові частинки, хоча б тільки один Хіггс.

В експерименті задіяно понад 30 країн світу.Зокрема, українські (харківські) науковці з Харківського фізико-технічного інституту та НТК "Інститут монокристалів", фізик-теоретик Г.М.Зинов'єв брали участь у частині проекту ВАК роботах над системою детектування ALICE (внутрішньою трековою системою). В експерименті задіяно понад 30 країн світу.Зокрема, українські (харківські) науковці з Харківського фізико-технічного інституту та НТК "Інститут монокристалів", фізик-теоретик Г.М.Зинов'єв брали участь у частині проекту ВАК роботах над системою детектування ALICE (внутрішньою трековою системою). У Науково-дослідному технологічному інституті приладобудування (Харків) під керівництвом професора В.Борщова налагодили відповідне виробництво. У Науково-дослідному технологічному інституті приладобудування (Харків) під керівництвом професора В.Борщова налагодили відповідне виробництво. Фінансування української частини робіт здійснювалося коштом Українського науково– технічного центру, створеного відповідними департаментами США, Японії та Канади, а також INTAS, ЦЕРН і НАТО, адже офіційно участь України в CERN досі не оформлено. Фінансування української частини робіт здійснювалося коштом Українського науково– технічного центру, створеного відповідними департаментами США, Японії та Канади, а також INTAS, ЦЕРН і НАТО, адже офіційно участь України в CERN досі не оформлено Творець нових сцинтиляторів для проектів CMS і ALICE кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Інституту сцинтиляційних матеріалів НАНУ Людмила Нагорна

Загроза Багато хто побоюється, що прагнення зрозуміти всесвіт можуть знищити не лише людство, а й усю планету шляхом утворення у колайдері чорних дир, які здатні поглинути все на своєму шляху. Чорні дири – це «космічні хижаки всесвіту», їхня сила тяжіння настільки потужна, що вони поглинають все на своєму шляху. Існують сдогади, що після Великого Вибуху тиск був настільки великим, що сформувалися чорні дири, а тому спроба повторити цей процес може викликати мікродири. Гіпотетично ймовірно, що чорні дири можуть вилетіти з колайдера, при цьому долетівши до центра Землі почнуть поглинати її атоми, поступово спустошуючи планету. Це буде кінцем світу. На щастя, з часом мікродири випаровуються і дуже швидко. Тож малоймовірно, що чорна дира утворена після зіткнення субатомних часток проіснує досить довго, щоб завдати якоїсь шкоди. Навіть якщо чорні дири не знищать нас, колайдер може знищити нас у дуже дивний спосіб. Існує ще один потенційний побічний продукт цього експерименту. Лише матерія, яку ми бачимо це звичайна стійка матерія, вона житиме дуже довго. Сучасні вчені побудували нову гіпотезу, що існує інший вид матерії, котру вони називають «дивною матерією». Вона є нестійкою, проте якщо вона стане стійкою, то вона може організувати скупчення матерії. Навіть якщо перший тест буде успішним, і це не призведе до кінця світу, критики стверджують, що ми всеодно не будемо в безпеці, адже під час роботи в колайдері щосекунди буде відбуватись сотні мільйонів зіткнень, і отже ймовірність помилки зростатиме. Більшість фізиків стверджують, що колайдер є цілком безпечним і несе загрозу людству.Тож незважаючи на заспокоєння вчених все ж певні ризики існують, адже всі ми є людьми і кожному з нас властиво помилятися. Тож будемо чекати нових відкриттів від вчених ВАК.