Co to jest zderzacz i dlaczego jest potrzebny?

100 metrów pod ziemią, na granicy Francji i Szwajcarii, jest urządzeniem, które jest w stanie ujawnić tajemnice wszechświata. Lub, według niektórych, zniszczyć całe życie na Ziemi.

W każdym razie jest to największa maszyna na świecie i służy do badania najmniejszych cząstek we wszechświecie. To jest Wielki Zderzacz Hadronów (nie Android) (LHC).

Krótki opis

LHC jest częścią projektu prowadzonego przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN). Zderzacz jest zawarty w kompleksie akceleratorów CERN poza Genewą w Szwajcarii i służy do przyspieszania wiązek protonów i jonów do prędkości zbliżających się do prędkości światła, zderzających się ze sobą cząstek i rejestrowania powstałych zdarzeń. Naukowcy mają nadzieję, że pomoże to dowiedzieć się więcej o pojawieniu się wszechświata i jego składzie.

Co to jest zderzacz (LHC)? Jest to najbardziej ambitny i potężny akcelerator cząstek, zbudowany do tej pory. Tysiące naukowców z setek krajów współpracuje i konkuruje ze sobą w poszukiwaniu nowych odkryć. Aby zebrać dane eksperymentalne, na obwodzie zderzaka zapewniono 6 stron.

Odkrycia dokonane wraz z nim mogą być przydatne w przyszłości, ale nie jest to powód jego budowy. Celem Wielkiego Zderzacza Hadronów jest poszerzenie naszej wiedzy o Wszechświecie. Biorąc pod uwagę, że LHC jest warte miliardy dolarów i wymaga współpracy wielu krajów, brak praktycznego zastosowania może być nieoczekiwany.

Do czego służy Zderzacz Hadronów?

Próbując zrozumieć nasz Wszechświat, jego funkcjonowanie i jego faktyczną strukturę, naukowcy zaproponowali teorię zwaną modelem standardowym. Próbuje zidentyfikować i wyjaśnić podstawowe cząsteczki, które sprawiają, że świat jest taki, jaki jest. Model łączy elementy Teoria względności Einsteina z teorią kwantową. Uwzględnia także 3 z 4 głównych sił Wszechświata: silne i słabe interakcje jądrowe i elektromagnetyzm. Teoria nie dotyczy czwartej siły fundamentalnej - grawitacji.

Standardowy model dał kilka prognoz dotyczących wszechświata, które są zgodne z różnymi eksperymentami. Ale są też inne jego aspekty, które wymagają potwierdzenia. Jednym z nich jest teoretyczna cząstka zwana bozonem Higgsa.

Jego odkrycie stanowi odpowiedź na pytania dotyczące mszy. Dlaczego materia to posiada? Naukowcy zidentyfikowali cząstki, które nie mają masy, na przykład neutrina. Dlaczego niektórzy mają to, ale inni nie? Fizycy oferują wiele wyjaśnień.

Najprostszym z nich jest mechanizm Higgsa. Teoria ta mówi, że istnieje cząstka i jej odpowiednia siła, która tłumaczy obecność masy. Nigdy wcześniej tego nie zaobserwowano, więc wydarzenia stworzone przez LHC powinny albo udowodnić istnienie bozonu Higgsa, albo dostarczyć nowych informacji.

Kolejne pytanie, które stawiają naukowcy, związane jest z narodzinami wszechświata. Wtedy materia i energia były jednym. Po ich rozdzieleniu cząsteczki materii i antymaterii zniszczyły się nawzajem. Gdyby ich liczba była równa, nic by nie pozostało.

Ale na szczęście dla nas było więcej materii we wszechświecie. Naukowcy mają nadzieję obserwować antymaterię podczas pracy LHC. To może pomóc zrozumieć przyczynę różnicy w ilości materii i antymaterii, kiedy zaczął się Wszechświat.

Ciemna materia

Współczesne rozumienie wszechświata sugeruje, że dotychczas można zaobserwować tylko około 4% materii, która musi istnieć. Ruch galaktyk i innych ciał niebieskich sugeruje, że istnieje znacznie bardziej widoczna materia.

Naukowcy nazwali tę ciemną materię nieokreśloną. Obserwowana i ciemna materia wynosi około 25%. Pozostałe 3/4 pochodzi z hipotetycznej ciemnej energii, która przyczynia się do ekspansji wszechświata.

Naukowcy mają nadzieję, że ich eksperymenty albo dostarczą dodatkowych dowodów na istnienie ciemnej materii i ciemnej energii, albo potwierdzą alternatywną teorię.

Ale to tylko wierzchołek góry lodowej fizyki cząstek elementarnych. Są jeszcze bardziej egzotyczne i kontrowersyjne rzeczy, które muszą zostać ujawnione i dlaczego zderzacz jest potrzebny.

Mikroskopowy wielki wybuch

Poprzez popychanie protonów z dostatecznie dużą prędkością, LHC dzieli je na mniejsze sub-cząsteczki atomowe. Są bardzo niestabilne, a przed rozpadem lub rekombinacją jest tylko ułamek sekundy.

Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu, pierwotnie wszystkie składały się z materii. Gdy wszechświat rozszerzał się i schładzał, zlewały się w większe cząstki, takie jak protony i neutrony.

Niezwykłe teorie

Jeśli cząstki teoretyczne, antymateria i ciemna energia nie są wystarczająco egzotyczne, niektórzy naukowcy uważają, że LHC może dostarczyć dowodów na istnienie innych wymiarów. Uważa się, że świat jest czterowymiarowy (Przestrzeń trójwymiarowa i czas). Ale fizycy zakładają, że mogą istnieć inne wymiary, których ludzie nie mogą dostrzec. Na przykład jedna wersja teorii strun wymaga co najmniej 11 pomiarów.

Zwolennicy tej teorii mają nadzieję, że LHC dostarczy dowodów na ich proponowany model wszechświata. Ich zdaniem podstawowymi elementami budulcowymi nie są cząstki, lecz struny. Mogą być otwarte lub zamknięte i wibrować jak gitara. Różnica w wibracji sprawia, że ​​struny są różne. Niektóre manifestują się w postaci elektronów, podczas gdy inne są realizowane jako neutrina.

Co to jest zderzacz liczb?

LHC to potężny i potężny projekt. Składa się z 8 sektorów, z których każdy jest łukiem, ograniczony na każdym końcu sekcją zwaną "insert". Obwód zderzacza wynosi 27 km.

Rury akceleratorów i komory kolizyjne znajdują się 100 metrów pod ziemią. Dostęp do nich zapewnia tunel serwisowy z windami i schodami umieszczonymi w kilku punktach na obwodzie LHC. CERN zbudował również budynki naziemne, w których badacze mogą zbierać i analizować dane generowane przez detektory zderzeń.

Aby kontrolować wiązki protonów poruszające się z prędkością 99,99% prędkość światła magnesy są używane. Są ogromne, ważą kilka ton. W LHC znajduje się około 9600 magnesów. Schładza się do 1,9K (-271,25 ° C). Jest poniżej temperatury przestrzeni kosmicznej.

Protony wewnątrz zderzacza przechodzą przez rury z ultra-wysoką próżnią. Jest to konieczne, aby nie było cząstek, które mogliby napotkać przed osiągnięciem celu. Pojedyncza cząsteczka gazu może doprowadzić do niepowodzenia eksperymentu.

Na obwodzie dużego zderzacza znajduje się 6 sekcji, w których inżynierowie mogą przeprowadzać swoje eksperymenty. Można je porównać z mikroskopami za pomocą aparatu cyfrowego. Niektóre z tych detektorów są ogromne - ATLAS to urządzenie o długości 45 metrów, wysokości 25 metrów i wadze 7 ton.

LHC zatrudnia około 150 milionów czujników, które zbierają dane i wysyłają je do sieci komputerowej. Według CERN ilość informacji uzyskanych podczas eksperymentów wynosi około 700 MB / s.

Oczywiście taki zderzacz potrzebuje dużo energii. Roczne zużycie energii wynosi około 800 GWh. Mogło być znacznie więcej, ale obiekt nie działa w miesiącach zimowych. Według CERN koszt energii to około 19 milionów euro.

Kolizja protonów

Zasada leżąca u podstaw fizyki zderzacza jest dość prosta. Najpierw uruchamiane są dwie wiązki: jedna zgodnie z ruchem wskazówek zegara, druga druga przeciwko. Oba strumienie są przyspieszane do prędkości światła. Następnie są wysyłane do siebie i obserwować wynik.

Sprzęt niezbędny do osiągnięcia tego jest znacznie bardziej skomplikowany. LHC jest częścią kompleksu CERN. Zanim jakiekolwiek cząstki dostaną się do LHC, wykonują już serię kroków.

Po pierwsze, aby produkować protony, naukowcy muszą pozbawić atomów wodoru elektronów. Następnie cząstki są przesyłane do instalacji LINAC 2, która uruchamia je w akceleratorze PS Booster. Maszyny te wykorzystują zmienne pole elektryczne do przyspieszania cząstek. Pola utworzone przez gigantyczne magnesy pomagają utrzymać belki.

Kiedy promień osiągnie pożądane poziom energii PS Booster kieruje go do super synchrotronu SPS. Strumień ulega przyspieszeniu jeszcze bardziej i dzieli się na 2808 wiązek z 1,1 x 1011 protonów. SPS wprowadza promienie do LHC zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Wewnątrz Wielkiego Zderzacza Hadronów protony kontynuują przyspieszanie przez 20 minut. Przy maksymalnej prędkości, co sekundę wykonują one 11245 obrotów wokół LHC. Promienie zbiegają się na jednym z 6 detektorów. Kiedy tak się stanie 600 milionów kolizji na sekundę.

Kiedy zderzają się 2 protony, dzielą się na mniejsze cząstki, w tym kwarki i gluony. Kwarki są bardzo niestabilne i rozpadają się w ułamku sekundy. Detektory zbierają informacje poprzez śledzenie ścieżki cząstek subatomowych i przesyłają je do sieci komputerowej.

Nie wszystkie protony zderzają się. Reszta nadal przesuwa się do sekcji wyładowczej belki, gdzie są pochłaniane przez grafit.

Detektory

Wzdłuż obwodu zderzacza znajduje się 6 sekcji, w których gromadzone są dane i przeprowadzane są eksperymenty. Spośród nich 4 to podstawowe detektory, a 2 mniejsze.

Największy to ATLAS. Jego wymiary to 46 x 25 x 25 m. Tracker wykrywa i analizuje impuls cząstek przechodzących przez ATLAS. Otoczony jest kalorymetrem, mierząc energię cząstek, pochłaniając je. Naukowcy mogą obserwować trajektorię ruchu i ekstrapolować informacje na ich temat.

Detektor ATLAS ma również spektrometr mionowy. Miony są naładowanymi ujemnie cząstkami 200 razy cięższymi od elektronów. Są jedynymi, którzy potrafią przejść przez kalorymetr bez zatrzymywania się. Spektrometr mierzy pęd każdego mionu za pomocą czujników naładowanych cząstek. Czujniki te mogą wykrywać fluktuacje w polu magnetycznym ATLAS.

Kompaktowy solenoid mionowy (CMS) jest detektorem ogólnego zastosowania, który wykrywa i mierzy sub-cząstki uwalniane podczas kolizji. Urządzenie znajduje się wewnątrz gigantycznego magnesu elektromagnesu, który może wytworzyć pole magnetyczne, które jest prawie 100 tysięcy razy większe niż Ziemskie pole magnetyczne.

Detektor ALICE jest przeznaczony do badania zderzeń jonów żelaza. W związku z tym naukowcy mają nadzieję na odtworzenie warunków podobnych do tych, które miały miejsce bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Oczekują, że jony zmienią się w mieszaninę kwarków i gluonów. Głównym komponentem ALICE jest kamera TPC, która służy do badania i odtwarzania trajektorii cząstek.

LHC służy do wyszukiwania dowodów na istnienie antymaterii. Robi to, szukając cząstki o nazwie ładny kwark. Liczba subdetektorów otaczających punkt kolizji ma 20 metrów długości. Mogą zbierać bardzo niestabilne i szybko rozkładające się cząsteczki pięknych kwarków.

Eksperyment TOTEM przeprowadzany jest w miejscu z jednym z małych detektorów. Mierzy wielkość protonów i jasność LHC, wskazując dokładność tworzenia kolizji.

Eksperyment LHC symuluje promieniowanie kosmiczne w kontrolowanym środowisku. Jego celem jest pomoc w rozwoju badań na dużą skalę prawdziwych promieni kosmicznych.

Zespół badaczy, liczący od kilkudziesięciu do ponad tysiąca naukowców, pracuje w każdym miejscu wykrywania.

Przetwarzanie danych

Nic dziwnego, że taki zderzacz generuje ogromny strumień danych. 15 000 000 GB odbieranych rocznie przez detektory LHC stanowi ogromne wyzwanie dla naukowców. Jego rozwiązaniem jest sieć komputerowa składająca się z komputerów, z których każdy jest w stanie samodzielnie analizować dane. Zaraz po zakończeniu analizy komputer wysyła wyniki do komputera centralnego i otrzymuje nową partię.

Naukowcy z CERN zdecydowali się skoncentrować na użyciu stosunkowo niedrogiego sprzętu do wykonywania swoich obliczeń. Zamiast kupować zaawansowane serwery i procesory, używany jest istniejący sprzęt, który może dobrze działać w sieci. Za pomocą specjalnego oprogramowania sieć komputerów będzie mogła przechowywać i analizować dane z każdego eksperymentu.

Niebezpieczeństwo na planetę?

Niektórzy obawiają się, że taki potężny zderzacz może stanowić zagrożenie dla życia na Ziemi, w tym udział w tworzeniu się czarnych dziur, "dziwnej materii", magnetycznych monopoli, promieniowania itp.

Naukowcy konsekwentnie odrzucają takie twierdzenia. Utworzenie czarnej dziury jest niemożliwe, ponieważ istnieje duża różnica między protonami i gwiazdami. "Dziwna materia" mogła powstać dawno temu pod wpływem promieni kosmicznych, a niebezpieczeństwo tych hipotetycznych formacji jest znacznie przesadzone.

Zderzacz jest wyjątkowo bezpieczny: jest oddzielony od powierzchni 100-metrową warstwą gleby, a personel nie może przebywać pod ziemią podczas eksperymentów.