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Wie der Large Hadron Collider funktioniert

Der LHC-Beschleuniger wird auf Basis des Supraleitungseffekts arbeiten, d. h. die Fähigkeit bestimmter Materialien, Elektrizität ohne Widerstand oder Energieverlust zu leiten, normalerweise bei sehr niedrigen Temperaturen. Um den Teilchenstrahl auf seiner kreisförmigen Bahn zu halten, sind stärkere Magnetfelder erforderlich als bisher in anderen CERN-Beschleunigern.

Der Large Hadron Collider, ein in der Schweiz und in Frankreich gebauter Protonenbeschleuniger, hat weltweit keine Entsprechungen. Dieses 27 km lange Ringbauwerk wurde in einer Tiefe von 100 Metern errichtet.

Darin sollen mit 120 leistungsstarken Elektromagneten bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt – minus 271,3 Grad Celsius – kollidierende Protonenstrahlen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit (99,9 Prozent) beschleunigt werden.Allerdings werden sich ihre Wege an einigen Stellen kreuzen, wodurch die Protonen kollidieren können. Mehrere tausend supraleitende Magnete sollen die Teilchen leiten.Wenn genügend Energie vorhanden ist, kollidieren die Teilchen und es entsteht ein Urknallmodell.Tausende Sensoren werden den Zeitpunkt der Kollision aufzeichnen. Die Folgen von Protonenkollisionen werden zum Hauptthema der Erforschung der Welt werden. [ http://dipland.ru /Cybernetics/Large_andron_collider_92988]

Technische Eigenschaften

Der Beschleuniger soll Protonen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV (also 14 Tera) kollidieren lassen Elektronenvolt oder 14·1012 Elektronenvolt) inSchwerpunktsystem einfallende Teilchen sowie Kerne führen mit einer Energie von 5 GeV (5 109 Elektronenvolt) für jedes kollidierende Paar Nukleonen Anfang 2010 Der LHC hat den bisherigen Rekordhalter in der Protonenenergie – den Proton-Antiproton-Kollider – bereits etwas übertroffen Tevatron , der bis Ende 2011 dort arbeiteteNationales Beschleunigerlabor. Enrico Fermi(USA ). Obwohl der Aufbau der Ausrüstung schon seit Jahren andauert und noch nicht abgeschlossen ist, hat sich der LHC bereits zum energiereichsten Teilchenbeschleuniger der Welt entwickelt und übertrifft die Energie anderer Kollider um eine Größenordnung, darunter der Relativistic Heavy Ion Collider RHIC, tätig in Brookhaven-Labor(USA).

Detektoren

Der LHC verfügt über 4 Haupt- und 3 Hilfsdetektoren:

· ALICE (Ein großes Ionenkollider-Experiment)

ATLAS (Ein toroidaler LHC-Apparat)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (Das Schönheitsexperiment des Large Hadron Collider)

TOTEM (GESAMT Messung des elastischen und diffraktiven Querschnitts)

LHCf (Der Large Hadron Collider vorwärts)

MoEDAL (Monopol- und Exotendetektor am LHC).

ATLAS, CMS, ALICE und LHCb sind große Detektoren, die um die Strahlkollisionspunkte herum angeordnet sind. Die TOTEM- und LHCf-Detektoren sind Hilfsdetektoren, die sich in einer Entfernung von mehreren zehn Metern von den Strahlkreuzungspunkten der CMS- bzw. ATLAS-Detektoren befinden und in Verbindung mit den Hauptdetektoren verwendet werden.

CMS-Detektor

Bei den ATLAS- und CMS-Detektoren handelt es sich um Allzweckdetektoren, die insbesondere für die Suche nach dem Higgs-Boson und der „nicht standardmäßigen Physik“ konzipiert sind Dunkle Materie , ALICE – zum LernenQuark-Gluon-Plasma bei Kollisionen schwerer Bleiionen, LHCb – für die physikalische ForschungB-Quarks , wodurch wir die Unterschiede besser verstehen können Materie und Antimaterie , TOTEM – entwickelt, um die Streuung von Teilchen in kleinen Winkeln zu untersuchen, wie sie beispielsweise bei engen Flügen ohne Kollisionen auftreten (die sogenannten nicht kollidierenden Teilchen, Vorwärtsteilchen), was eine genauere Messung der Größe von Protonen ermöglicht, sowie die Steuerung der Leuchtkraft des Colliders und schließlich des LHCf – für Forschungszweckekosmische Strahlung , modelliert unter Verwendung derselben nicht kollidierenden Partikel.

Mit der Arbeit des LHC ist auch der siebte, in Bezug auf Budget und Komplexität recht unbedeutende Detektor (Experiment) MoEDAL verbunden, der für die Suche nach sich langsam bewegenden schweren Teilchen konzipiert ist.

Beim Betrieb des Colliders kommt es an allen vier Schnittpunkten der Strahlen gleichzeitig zu Kollisionen, unabhängig von der Art der beschleunigten Teilchen (Protonen oder Kerne). In diesem Fall erfassen alle Detektoren gleichzeitig Statistiken.

Energieverbrauch

Während des Kolliderbetriebs wird der geschätzte Energieverbrauch 180 M betragen W . Geschätzter Gesamtenergieverbrauch CERN für 2009 unter Berücksichtigung des laufenden Kolliders - 1000 GWh, davon 700 GWh für den Beschleuniger. Diese Energiekosten betragen etwa 10 % des gesamten Jahresenergieverbrauchs Kanton Genf . CERN selbst produziert keine Energie und verfügt nur über ReservenDieselgeneratoren.[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]

Vielleicht wird das Internet in ein paar Jahren einer neuen, tieferen Integration von Remote-Computern weichen, die nicht nur die Fernübertragung von Informationen in verschiedenen Teilen der Welt ermöglicht, sondern auch die automatische Nutzung von Remote-Computing-Ressourcen. Im Zusammenhang mit dem Start des Large Hadron Collider arbeitet CERN seit mehreren Jahren daran, ein solches Netzwerk aufzubauen.

Dass das Internet (oder das, was man als Web bezeichnet) von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) erfunden wurde, ist schon lange eine Lehrbuch-Tatsache. Tagsüber rund um das Schild „Das World Wide Web entstand in diesen Korridoren“ in einem der gewöhnlichen Korridore eines normalen CERN-Gebäudes offene Türen Es gibt immer Massen von Schaulustigen. Heutzutage wird das Internet von Menschen auf der ganzen Welt für ihre praktischen Bedürfnisse genutzt und ursprünglich wurde es geschaffen, damit Wissenschaftler, die an demselben Projekt arbeiten, sich aber in verschiedenen Teilen der Erde befinden, miteinander kommunizieren, Daten austauschen und Informationen veröffentlichen können auf die zugegriffen werden könnte, um aus der Ferne Zugriff zu erhalten.

GRID-System wird am CERN entwickelt (im Englischen Gitter – Gitter, Netzwerk) ist ein weiterer Fortschritt, eine neue Stufe bei der Integration von Computerbenutzern.

Es ermöglicht nicht nur die Veröffentlichung von Daten, die sich irgendwo anders auf dem Planeten befinden, sondern auch die Nutzung entfernter Maschinenressourcen, ohne Ihren Standort zu verlassen.

Natürlich spielen gewöhnliche Computer keine besondere Rolle bei der Bereitstellung von Rechenleistung, daher ist die erste Stufe der Integration die Verbindung der Supercomputerzentren der Welt.

Die Entstehung dieses Systems wurde durch den Large Hadron Collider provoziert. Obwohl GRID bereits für eine Vielzahl anderer Aufgaben verwendet wird, würde es ohne den Collider nicht existieren, und umgekehrt ist die Verarbeitung der Ergebnisse des Colliders ohne GRID nicht möglich.

Menschen, die in LHC-Kooperationen arbeiten, befinden sich in verschiedenen Teilen der Welt. Es ist bekannt, dass nicht nur Europäer an diesem Gerät arbeiten, sondern alle 20 Länder – offizielle Teilnehmer des CERN, insgesamt etwa 35 Länder. Um den Betrieb des LHC sicherzustellen, gab es theoretisch eine Alternative zu GRID – den Ausbau der eigenen Rechenressourcen des CERN-Rechenzentrums. Doch die zum Zeitpunkt der Problemstellung zur Verfügung stehenden Ressourcen reichten völlig nicht aus, um den Betrieb des Beschleunigers zu simulieren, Informationen aus seinen Experimenten zu speichern und wissenschaftlich aufzubereiten. Daher müsste das Rechenzentrum erheblich umgebaut und modernisiert werden und mehr Computer und Datenspeichereinrichtungen angeschafft werden. Dies würde jedoch bedeuten, dass die gesamte Finanzierung beim CERN konzentriert würde. Dies war für Länder, die weit vom CERN entfernt liegen, nicht sehr akzeptabel. Natürlich waren sie nicht daran interessiert, Ressourcen zu sponsern, die sehr schwierig zu nutzen wären, sondern waren vielmehr geneigt, ihr Rechen- und Maschinenpotenzial zu erweitern. Daher entstand die Idee, Ressourcen dort zu nutzen, wo sie sind.

Versuchen Sie nicht, alles an einem Ort zu konzentrieren, sondern kombinieren Sie, was in verschiedenen Teilen des Planeten bereits vorhanden ist.

Noch vor ein paar Jahren hatte ich keine Ahnung, was Hadronenbeschleuniger, das Higgs-Boson, sind und warum Tausende von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt auf einem riesigen Physikcampus an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich arbeiteten und Milliarden von Dollar in der Erde vergruben.
Dann ist für mich, wie für viele andere Bewohner des Planeten, der Ausdruck Large Hadron Collider, das Wissen über darin mit Lichtgeschwindigkeit kollidierende Elementarteilchen und über eines davon größten Entdeckungen zuletzt das Higgs-Boson.

Und so hatte ich Mitte Juni die Gelegenheit, mit eigenen Augen zu sehen, worüber so viele Menschen reden und worüber es so viele widersprüchliche Gerüchte gibt.
Dies war nicht nur ein kurzer Ausflug, sondern ein ganzer Tag im weltweit größten Kernphysiklabor – Cern. Hier konnten wir mit den Physikern selbst kommunizieren, viele interessante Dinge auf diesem wissenschaftlichen Campus sehen und zum Allerheiligsten hinuntergehen – dem Large Hadron Collider (aber wenn er gestartet ist und darin Tests durchgeführt werden). , jeglicher Zugang von außen ist unmöglich), besuchen Sie die Fabrik zur Herstellung von Riesenmagneten für den Collider, das Atlas-Zentrum, wo Wissenschaftler die am Collider gewonnenen Daten analysieren, besuchen Sie heimlich den neuesten im Bau befindlichen Linearcollider und sogar, fast wie bei einer Quest, praktisch durchgehen dorniger Weg Elementarteilchen, vom Ende zum Anfang. Und sehen Sie, wo alles beginnt ...
Aber dazu alles in separaten Beiträgen. Heute ist es nur noch der Large Hadron Collider.
Wenn man das einfach nennen kann, weigert sich mein Gehirn zu verstehen, WIE so etwas zuerst erfunden und dann gebaut werden konnte.

2. Vor vielen Jahren wurde dieses Bild weltberühmt. Viele glauben, dass dies der große Hadron im Schnitt ist. Tatsächlich ist dies ein Querschnitt eines der größten Detektoren – CMS. Sein Durchmesser beträgt etwa 15 Meter. Dies ist nicht der größte Detektor. Der Durchmesser von Atlas beträgt etwa 22 Meter.

3. Um ungefähr zu verstehen, was es ist und wie groß der Collider ist, schauen wir uns die Satellitenkarte an.
Dies ist ein Vorort von Genf, ganz in der Nähe des Genfersees. Hier befindet sich der riesige CERN-Campus, auf den ich etwas später gesondert eingehen werde, und es gibt eine Reihe von Collidern, die sich unter der Erde in verschiedenen Tiefen befinden. Ja Ja. Er ist nicht allein. Es gibt zehn davon. Der Große Hadron krönt im übertragenen Sinne einfach diese Struktur und vervollständigt die Kette der Kollider, durch die Elementarteilchen beschleunigt werden. Ich werde auch separat darüber sprechen und dabei das Teilchen vom Großen (LHC) bis zum allerersten, linearen Linac begleiten.
Der Durchmesser des LHC-Rings beträgt fast 27 Kilometer und er liegt in einer Tiefe von knapp über 100 Metern (der größte Ring im Bild).
Der LHC verfügt über vier Detektoren – Alice, Atlas, LHCb und CMS. Wir gingen zum CMS-Detektor.

4. Zusätzlich zu diesen vier Detektoren ist der Rest des unterirdischen Raums ein Tunnel, in dem sich ein durchgehender Darm aus blauen Segmenten wie diesen befindet. Das sind Magnete. Riesige Magnete, in denen ein verrücktes Magnetfeld entsteht, in dem sich Elementarteilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Insgesamt gibt es 1734 davon.

5. Im Inneren sieht der Magnet so aus Komplexe Struktur. Hier gibt es von allem viel, aber das Wichtigste sind zwei Hohlröhren im Inneren, in denen Protonenstrahlen fliegen.
An vier Stellen (in denselben Detektoren) kreuzen sich diese Röhren und Protonenstrahlen kollidieren. Dort, wo sie kollidieren, zerstreuen sich Protonen in verschiedene Teilchen, die von Detektoren erfasst werden.
Hiermit soll kurz darüber gesprochen werden, was dieser Unsinn ist und wie er funktioniert.

6. Also, 14. Juni, morgens, CERN. Wir erreichen einen unauffälligen Zaun mit einem Tor und einem kleinen Gebäude auf dem Gelände.
Dies ist der Eingang zu einem der vier Detektoren des Large Hadron Collider – CMS.
Hier möchte ich kurz innehalten, um darüber zu sprechen, wie wir es überhaupt geschafft haben, hierher zu kommen, und dank wem.
Und das ist alles „schuld“ an Andrey, unserem Mann, der am CERN arbeitet und dank dem unser Besuch kein kurzer, langweiliger Ausflug war, sondern unglaublich interessant und voller Informationen.
Andrey (er im grünen T-Shirt) hat nichts gegen Gäste und ist immer gerne bereit, einen Besuch in diesem Mekka der Kernphysik zu ermöglichen.
Wissen Sie, was interessant ist? Dies ist der Durchsatzmodus im Collider und am CERN im Allgemeinen.
Ja, alles läuft über eine Magnetkarte, aber... ein Mitarbeiter mit seinem Pass hat Zugang zu 95 % des Geländes und der Einrichtungen.
Und nur diejenigen mit einem erhöhten Niveau Strahlengefahr, benötigen Sie einen speziellen Zugang – dieser befindet sich im Inneren des Colliders selbst.
Und so bewegen sich die Mitarbeiter problemlos im Gelände.
Für einen Moment wurden hier Milliarden von Dollar und jede Menge der unglaublichsten Ausrüstung investiert.
Und dann erinnere ich mich an einige verlassene Objekte auf der Krim, wo schon lange alles rausgeschnitten ist, aber trotzdem alles megageheim ist, man darf auf keinen Fall gefilmt werden, und das Objekt ist wer weiß was strategisch.
Es ist einfach so, dass die Leute hier angemessen mit dem Kopf denken.

7. So sieht das CMS-Gebiet aus. Keine auffällige Außendekoration oder Superautos auf dem Parkplatz. Aber sie können es sich leisten. Es besteht einfach keine Notwendigkeit.

8. CERN als weltweit führendes wissenschaftliches Zentrum auf dem Gebiet der Physik nutzt in Sachen PR mehrere unterschiedliche Richtungen. Einer davon ist der sogenannte „Baum“.
In diesem Rahmen laden wir ein Schullehrer in der Physik von verschiedene Länder und Städte. Sie werden hier gezeigt und erzählt. Dann kehren die Lehrer in ihre Schulen zurück und erzählen ihren Schülern, was sie gesehen haben. Eine gewisse Anzahl von Studenten, die von der Geschichte inspiriert sind, beginnen mit großem Interesse, Physik zu studieren, gehen dann an Universitäten, um Physik zu studieren, und arbeiten in Zukunft vielleicht sogar hier.
Doch schon während der Schulzeit haben die Kinder auch die Möglichkeit, das CERN zu besuchen und natürlich zum Large Hadron Collider hinabzusteigen.
Mehrmals im Monat finden hier besondere „Tage der offenen Tür“ für begabte und physikbegeisterte Kinder aus verschiedenen Ländern statt.
Sie werden von denselben Lehrern ausgewählt, die an der Basis dieses Baums standen, und reichen Vorschläge beim CERN-Büro in der Schweiz ein.
Zufälligerweise kam an dem Tag, an dem wir den Large Hadron Collider besichtigten, eine dieser Gruppen aus der Ukraine hierher – Kinder, Studenten der Kleinen Akademie der Wissenschaften, die einen schwierigen Wettbewerb bestanden hatten. Gemeinsam mit ihnen stiegen wir bis in eine Tiefe von 100 Metern hinab, ins Herz des Colliders.

9. Ruhm mit unseren Abzeichen.
Zur Pflichtausrüstung der hier arbeitenden Physiker gehören ein Helm mit Taschenlampe und Stiefel mit einer Metallplatte an der Spitze (zum Schutz der Zehen bei herunterfallender Last).

10. Hochbegabte Kinder, die sich für Physik begeistern. In wenigen Minuten werden ihre Plätze wahr – sie werden in den Large Hadron Collider hinabsteigen

11. Arbeiter spielen Domino, während sie sich vor ihrer nächsten Schicht im Untergrund entspannen.

12. Kontroll- und Verwaltungszentrum CMS. Hier fließen Primärdaten der Hauptsensoren, die die Funktionsweise des Systems charakterisieren.
Wenn der Collider in Betrieb ist, arbeitet hier rund um die Uhr ein Team von 8 Personen.

13. Es muss gesagt werden, dass in momentan Der Large Hadron wurde für zwei Jahre abgeschaltet, um ein Reparatur- und Modernisierungsprogramm für den Collider durchzuführen.
Tatsache ist, dass es vor 4 Jahren einen Unfall gab, nach dem der Collider nicht mehr funktionierte. volle Kraft(Über den Unfall werde ich im nächsten Beitrag sprechen).
Nach der Modernisierung, die 2014 abgeschlossen sein wird, soll sie mit noch mehr Leistung arbeiten.
Wenn der Collider jetzt funktionieren würde, könnten wir ihn definitiv nicht besuchen

14. Mit einem speziellen technischen Aufzug steigen wir in eine Tiefe von mehr als 100 Metern hinab, wo sich der Collider befindet.
Der Aufzug ist das einzige Mittel zur Personenrettung im Notfall, denn... Hier gibt es keine Treppen. Das heißt, dies ist der sicherste Ort im CMS.
Gemäß den Anweisungen muss sich im Alarmfall das gesamte Personal sofort zum Aufzug begeben.
Hier wird ein Überdruck erzeugt, damit im Falle einer Rauchentwicklung der Rauch nicht ins Innere gelangt und Menschen nicht vergiftet werden.

15. Boris macht sich Sorgen, dass es keinen Rauch gibt.

16. In der Tiefe. Hier ist alles von Kommunikation durchdrungen.

17. Endlose Kilometer Drähte und Kabel zur Datenübertragung

18. Hier gibt es eine große Anzahl von Pfeifen. Sogenannte Kryotechnik. Tatsache ist, dass im Inneren der Magnete Helium zur Kühlung verwendet wird. Auch die Kühlung anderer Systeme sowie der Hydraulik ist erforderlich.

19. In den Datenverarbeitungsräumen im Detektor gibt es eine große Anzahl von Servern.
Sie werden zu sogenannten unglaublichen Leistungsauslösern zusammengefasst.
Beispielsweise sollte der erste Trigger in 3 Millisekunden aus 40.000.000 Ereignissen etwa 400 auswählen und an den zweiten Trigger – die höchste Ebene – übergeben.

20. Glasfaser-Wahnsinn.
Computerräume befinden sich über dem Detektor, weil Hier herrscht ein sehr kleines Magnetfeld, das den Betrieb der Elektronik nicht beeinträchtigt.
Es wäre nicht möglich, Daten im Detektor selbst zu sammeln.

21. Globaler Auslöser. Es besteht aus 200 Computern

22. Was für ein Apple gibt es? Dell!!!

23. Serverschränke sind sicher verschlossen

24. Eine lustige Zeichnung an einem der Arbeitsplätze der Bediener.

25. Ende 2012 wurde das Higgs-Boson als Ergebnis eines Experiments am Large Hadron Collider entdeckt, und dieses Ereignis wurde von CERN-Mitarbeitern ausgiebig gefeiert.
Die Champagnerflaschen wurden nach der Feier nicht absichtlich weggeworfen, da man glaubte, dass dies nur der Anfang großer Dinge sei

26. Auf dem Weg zum Detektor selbst sind überall Schilder angebracht, die vor Strahlengefahren warnen

26. Alle Collider-Mitarbeiter verfügen über persönliche Dosimeter, die sie zum Lesegerät mitbringen und ihren Standort aufzeichnen müssen.
Das Dosimeter akkumuliert den Strahlungspegel und informiert den Mitarbeiter bei Annäherung an die Grenzdosis. Außerdem übermittelt es online Daten an die Kontrollstation, um zu warnen, dass sich in der Nähe des Beschleunigers eine Person befindet, die in Gefahr ist

27. Direkt vor dem Detektor befindet sich ein Zugangssystem auf oberster Ebene.
Sie können sich anmelden, indem Sie eine persönliche Karte und ein Dosimeter anbringen und sich einem Netzhautscan unterziehen

28. Was ich mache

29. Und hier ist er – der Detektor. Der kleine Stachel im Inneren ähnelt einem Bohrfutter, in dem sich die riesigen Magnete befinden, die jetzt sehr klein erscheinen. Im Moment gibt es keine Magnete, weil... befindet sich in einer Modernisierung

30. Im betriebsbereiten Zustand ist der Melder angeschlossen und sieht aus wie eine Einheit

31. Das Gewicht des Detektors beträgt 15.000 Tonnen. Hier entsteht ein unglaubliches Magnetfeld.

32. Vergleichen Sie die Größe des Detektors mit den unten arbeitenden Personen und Geräten

33. Blaue Kabel – Strom, rot – Daten

34. Interessanterweise verbraucht der Big Hadron im Betrieb 180 Megawatt Strom pro Stunde.

35. Routinemäßige Wartungsarbeiten an Sensoren

36. Zahlreiche Sensoren

37. Und die Stromversorgung für sie ... Glasfaser kommt zurück

38. Das Aussehen einer unglaublich klugen Person.

39. Eineinhalb Stunden unter der Erde vergehen wie im Flug wie fünf Minuten ... Nachdem Sie auf die sterbliche Erde zurückgekehrt sind, fragen Sie sich unwillkürlich ... WIE das geschehen kann.
UND WARUM tun sie das….

Der Large Hadron Collider wird entweder als „Maschine“ bezeichnet Weltuntergang", oder der Schlüssel zum Geheimnis des Universums, aber seine Bedeutung steht außer Zweifel.

Wie der berühmte britische Denker Bertrand Russell einmal sagte: „Philosophie ist das, was man weiß, Philosophie ist das, was man nicht weiß.“ Es scheint, dass es wahr ist wissenschaftliches Wissen ist seit langem von seinen Ursprüngen getrennt, die in der philosophischen Forschung zu finden sind Antikes Griechenland, aber das ist nicht so.

Im Laufe des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler versucht, in der Wissenschaft eine Antwort auf die Frage nach der Struktur der Welt zu finden. Dieser Prozess ähnelte der Suche nach dem Sinn des Lebens: eine Vielzahl von Theorien, Annahmen und sogar verrückten Ideen. Zu welchen Schlussfolgerungen kamen Wissenschaftler? Anfang XXI Jahrhundert?

Die ganze Welt besteht aus Elementarteilchen, die die endgültigen Formen aller Dinge darstellen, also das, was nicht in kleinere Elemente zerlegt werden kann. Dazu gehören Protonen, Elektronen, Neutronen usw. Diese Teilchen stehen in ständiger Wechselwirkung miteinander. Zu Beginn unseres Jahrhunderts drückte es sich in vier Grundtypen aus: gravitativ, elektromagnetisch, stark und schwach. Die erste wird durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, die anderen drei werden im Rahmen des Standardmodells (Quantentheorie) zusammengefasst. Es wurde auch vermutet, dass es eine weitere Wechselwirkung gab, die später als Higgs-Feld bezeichnet wurde.

Allmählich entwickelte sich die Idee, alle grundlegenden Wechselwirkungen im Rahmen von „ Theorien über alles“, was zunächst als Scherz wahrgenommen wurde, sich aber schnell zu einem mächtigen Witz entwickelte wissenschaftliche Ausrichtung. Warum ist das notwendig? Es ist einfach! Ohne zu verstehen, wie die Welt funktioniert, sind wir wie Ameisen in einem künstlichen Nest – wir kommen nicht über unsere Möglichkeiten hinaus. Menschliches Wissen kann (naja, oder Tschüss Wenn Sie ein Optimist sind, können Sie nicht die gesamte Struktur der Welt abdecken.

Es wird eine der berühmtesten Theorien betrachtet, die behauptet, „alles zu umfassen“. Stringtheorie. Es impliziert, dass das gesamte Universum und unser Leben mehrdimensional sind. Trotz der entwickelten theoretischer Teil und der Unterstützung berühmter Physiker wie Brian Greene und Stephen Hawking gibt es keine experimentelle Bestätigung.

Jahrzehnte später hatten Wissenschaftler es satt, von der Tribüne aus zu senden, und beschlossen, etwas zu bauen, das ein für alle Mal das A und O bilden sollte. Zu diesem Zweck wurde die weltweit größte Experimentieranlage geschaffen – Großer Hadronenbeschleuniger (LHC).

„Zum Collider!“

Was ist ein Collider? Wenn wir reden wissenschaftliche Sprache, dann ist dies ein Beschleuniger für geladene Teilchen, der dazu dient, Elementarteilchen zu beschleunigen, um ihre Wechselwirkung besser zu verstehen. In nichtwissenschaftlicher Hinsicht handelt es sich um eine große Arena (oder Sandkasten, wenn Sie es vorziehen), in der Wissenschaftler darum kämpfen, ihre Theorien zu bestätigen.

Die Idee, Elementarteilchen kollidieren zu lassen und zu sehen, was zuerst passiert, kam 1956 vom amerikanischen Physiker Donald William Kerst. Er schlug vor, dass Wissenschaftler dadurch in die Geheimnisse des Universums eindringen könnten. Es scheint, was ist falsch daran, zwei Protonenstrahlen mit einer Gesamtenergie, die eine Million Mal größer ist als die der Kernfusion, zusammenzustoßen? Die Zeiten waren angemessen: der Kalte Krieg, das Wettrüsten und so weiter.

Geschichte der Entstehung des LHC

Die Idee, einen Beschleuniger zur Erzeugung und Untersuchung geladener Teilchen zu schaffen, entstand Anfang der 1920er Jahre, die ersten Prototypen entstanden jedoch erst Anfang der 1930er Jahre. Ursprünglich handelte es sich um Hochspannungs-Linearbeschleuniger, also um geladene Teilchen, die sich geradlinig bewegten. Die Ringversion wurde 1931 in den USA eingeführt, danach tauchten ähnliche Geräte in einer Reihe von Ländern auf Industrieländer- Großbritannien, Schweiz, UdSSR. Sie haben den Namen bekommen Zyklotrone und wurde anschließend aktiv zur Herstellung von Atomwaffen eingesetzt.

Es ist zu beachten, dass die Kosten für den Bau eines Teilchenbeschleunigers unglaublich hoch sind. Europa, das im Kalten Krieg keine vorrangige Rolle spielte, vertraute seiner Gründung an Europäische Organisation für Kernforschung (auf Russisch oft als CERN gelesen), die später den Bau des LHC aufnahm.

CERN wurde im Zuge der weltweiten Besorgnis über die Kernforschung in den USA und der UdSSR gegründet, die zu einer allgemeinen Vernichtung führen könnte. Daher beschlossen die Wissenschaftler, ihre Kräfte zu bündeln und sie in eine friedliche Richtung zu lenken. Im Jahr 1954 wurde das CERN offiziell gegründet.

1983 wurden unter der Schirmherrschaft des CERN die W- und Z-Bosonen entdeckt, woraufhin die Frage nach der Entdeckung der Higgs-Bosonen nur noch eine Frage der Zeit war. Im selben Jahr begannen die Arbeiten zum Bau des Large Electron-Positron Collider (LEPC), der eine zentrale Rolle bei der Erforschung der entdeckten Bosonen spielte. Doch schon damals wurde klar, dass sich die Leistung des geschaffenen Geräts bald als unzureichend erweisen würde. Und 1984 wurde unmittelbar nach der Demontage des BEPK die Entscheidung zum Bau des LHC getroffen. Das ist im Jahr 2000 passiert.

Der Bau des LHC, der 2001 begann, wurde dadurch erleichtert, dass er auf dem Gelände des ehemaligen BEPK im Tal des Genfersees stattfand. Im Zusammenhang mit Finanzierungsfragen (1995 wurden die Kosten auf 2,6 Milliarden Franken geschätzt, 2001 überstiegen sie 4,6 Milliarden, 2009 beliefen sie sich auf 6 Milliarden Dollar).

An dieser Moment Der LHC befindet sich in einem Tunnel mit einem Umfang von 26,7 km und verläuft durch die Gebiete zweier europäische Länder- Frankreich und Schweiz. Die Tiefe des Tunnels variiert zwischen 50 und 175 Metern. Es ist auch zu beachten, dass die Kollisionsenergie der Protonen im Beschleuniger 14 Teraelektronenvolt erreicht, was 20-mal höher ist als die mit BEPK erzielten Ergebnisse.

„Neugier ist kein Laster, aber eine große Abscheulichkeit.“

Der 27 Kilometer lange Tunnel des CERN-Beschleunigers liegt 100 Meter unter der Erde in der Nähe von Genf. Hier wird es riesige supraleitende Elektromagnete geben. Rechts sind Transportwagen. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Warum wird diese von Menschenhand geschaffene „Weltuntergangsmaschine“ benötigt? Wissenschaftler erwarten, die Welt so zu sehen, wie sie unmittelbar nach dem Urknall war, also im Moment der Entstehung der Materie.

Ziele die sich Wissenschaftler beim Bau des LHC gesetzt haben:

1. Bestätigung oder Widerlegung des Standardmodells mit dem Ziel, eine „Theorie von allem“ weiterzuentwickeln.
2. Beweis der Existenz des Higgs-Bosons als Teilchen der fünften Grundkraft. Theoretischen Untersuchungen zufolge sollte es die elektrischen und schwachen Wechselwirkungen beeinflussen und deren Symmetrie brechen.
3. Die Untersuchung von Quarks, einem Elementarteilchen, das 20.000 Mal kleiner ist als die aus ihnen bestehenden Protonen.
4. Gewinnung und Untersuchung dunkler Materie, die den größten Teil des Universums ausmacht.

Dies sind bei weitem nicht die einzigen Ziele, die Wissenschaftler dem LHC zuweisen, der Rest ist jedoch eher verwandt oder rein theoretisch.

Was haben Sie erreicht?

Die größte und bedeutendste Errungenschaft war zweifellos die offizielle Bestätigung der Existenz Higgs-Boson. Die Entdeckung der fünften Wechselwirkung (des Higgs-Feldes), die laut Wissenschaftlern den Massenerwerb aller Elementarteilchen beeinflusst. Es wird angenommen, dass die W- und Z-Bosonen massiv werden, wenn die Symmetrie während des Einflusses des Higgs-Feldes auf andere Felder gebrochen wird. Die Entdeckung des Higgs-Bosons ist so bedeutsam, dass eine Reihe von Wissenschaftlern ihm den Namen „Gottteilchen“ gegeben haben.

Quarks verbinden sich zu Teilchen (Protonen, Neutronen und andere), die man nennt Hadronen. Sie sind es, die im LHC beschleunigen und kollidieren, daher der Name. Während des Betriebs des Colliders wurde bewiesen, dass es schlicht unmöglich ist, ein Quark von einem Hadron zu trennen. Wenn Sie dies versuchen, werden Sie einfach eine andere Art von Elementarteilchen herausreißen, beispielsweise aus einem Proton – Meson. Obwohl dies nur eines der Hadronen ist und nichts Neues enthält, sollte die weitere Untersuchung der Wechselwirkung von Quarks in kleinen Schritten erfolgen. Bei der Erforschung der Grundgesetze der Funktionsweise des Universums ist Eile gefährlich.

Obwohl Quarks selbst während der Nutzung des LHC nicht entdeckt wurden, wurde ihre Existenz bis zu einem gewissen Punkt als mathematische Abstraktion angesehen. Die ersten Teilchen dieser Art wurden 1968 gefunden, doch erst 1995 wurde die Existenz eines „echten Quarks“ offiziell nachgewiesen. Die experimentellen Ergebnisse werden durch die Fähigkeit, sie zu reproduzieren, bestätigt. Daher wird das Erreichen eines ähnlichen Ergebnisses durch den LHC nicht als Wiederholung, sondern als festiger Beweis ihrer Existenz angesehen! Obwohl das Problem mit der Realität der Quarks nirgendwo verschwunden ist, weil sie einfach sind kann nicht ausgewählt werden aus Hadronen.

Welche Pläne?

Die Hauptaufgabe, eine „Theorie von allem“ zu erstellen, wurde nicht gelöst, sondern die theoretische Ausarbeitung Möglichkeiten seine Manifestationen sind im Gange. Bis jetzt eines der Probleme der Vereinigung Allgemeine Theorie Relativitätstheorie und das Standardmodell bleiben bestehen unterschiedlicher Bereich ihre Handlungen, und daher berücksichtigt der zweite nicht die Merkmale des ersten. Daher ist es wichtig, über das Standardmodell hinauszugehen und an die Grenzen zu gelangen Neue Physik.

Supersymmetrie – Wissenschaftler glauben, dass es bosonische und fermionische Quantenfelder so sehr verbindet, dass sie sich ineinander umwandeln können. Genau diese Art der Konvertierung geht über das Standardmodell hinaus, da es eine Theorie gibt, die der symmetrischen Abbildung von Quantenfeldern zugrunde liegt Gravitonen. Sie können dementsprechend ein Elementarteilchen der Schwerkraft sein.

Madala-Boson– Die Hypothese über die Existenz des Madala-Bosons geht davon aus, dass es ein anderes Feld gibt. Nur wenn das Higgs-Boson mit bekannten Teilchen und Materie interagiert, dann interagiert das Madala-Boson mit Dunkle Materie. Obwohl es den größten Teil des Universums einnimmt, ist seine Existenz nicht im Standardmodell enthalten.

Mikroskopisches Schwarzes Loch - Eine der Forschungsarbeiten des LHC besteht darin, ein Schwarzes Loch zu erzeugen. Ja, ja, genau diese schwarze, alles verzehrende Region im Weltraum. Glücklicherweise wurden in dieser Richtung keine nennenswerten Erfolge erzielt.

Heute ist der Large Hadron Collider ein Mehrzweck-Forschungszentrum, auf dessen Grundlage Theorien erstellt und experimentell bestätigt werden, die uns helfen werden, die Struktur der Welt besser zu verstehen. Es gibt oft Wellen der Kritik an einer Reihe laufender Studien, die als gefährlich eingestuft werden, darunter auch von Stephen Hawking, aber das Spiel ist auf jeden Fall die Kerze wert. Wir können nicht mit einem Kapitän im schwarzen Ozean namens „Universum“ segeln, der weder eine Karte noch einen Kompass oder Grundkenntnisse über die Welt um uns herum besitzt.

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Abgekürzt LHC (Large Hadron Collider, abgekürzt LHC) ist ein Beschleuniger geladener Teilchen mithilfe kollidierender Strahlen, der dazu dient, Protonen und schwere Ionen (Bleiionen) zu beschleunigen und die Produkte ihrer Kollisionen zu untersuchen. Der Collider wurde am CERN (Europäischer Rat für Kernforschung) in der Nähe von Genf an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich gebaut. Der LHC ist die größte Experimentieranlage der Welt. Mehr als 10.000 Wissenschaftler und Ingenieure aus mehr als 100 Ländern nahmen teil und beteiligen sich am Bau und an der Forschung.

Aufgrund seiner Größe wird er „groß“ genannt: Die Länge des Hauptbeschleunigerrings beträgt 26.659 m; hadronisch – aufgrund der Tatsache, dass es Hadronen beschleunigt, also schwere Teilchen, die aus Quarks bestehen; Collider (dt. Collider - Collider) - aufgrund der Tatsache, dass Teilchenstrahlen in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden und an speziellen Kollisionspunkten kollidieren.

BAK-Spezifikationen

Der Beschleuniger soll Protonen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV (also 14 Teraelektronenvolt oder 14·1012 Elektronenvolt) im System des Massenschwerpunkts der einfallenden Teilchen sowie Bleikerne mit einer Energie von 5 GeV zur Kollision bringen (5·109 Elektronenvolt) für jedes Paar kollidierender Nukleonen. Anfang 2010 hatte der LHC den bisherigen Rekordhalter in der Protonenenergie – den Tevatron-Proton-Antiproton-Kollider, der bis Ende 2011 am National Accelerator Laboratory arbeitete – bereits leicht übertroffen. Enrico Fermi (USA). Obwohl der Aufbau der Ausrüstung schon seit Jahren andauert und noch nicht abgeschlossen ist, hat sich der LHC bereits zum Teilchenbeschleuniger mit der höchsten Energie der Welt entwickelt und übertrifft andere Kollider, einschließlich des, um eine Größenordnung an Energie relativistischer Schwerionenbeschleuniger RHIC, betrieben im Brookhaven Laboratory (USA). ).

Die Leuchtkraft des LHC betrug in den ersten Wochen seines Betriebs nicht mehr als 1029 Teilchen/cm 2 s, sie steigt jedoch kontinuierlich weiter an. Ziel ist es, eine nominelle Leuchtkraft von 1,7 × 1034 Partikeln/cm 2 s zu erreichen, was in der gleichen Größenordnung liegt wie die Leuchtkräfte von BaBar (SLAC, USA) und Belle (KEK, Japan).

Der Beschleuniger befindet sich im selben Tunnel, in dem sich früher der Large Electron-Positron Collider befand. Der Tunnel mit einem Umfang von 26,7 km wird in Frankreich und der Schweiz unterirdisch verlegt. Die Tiefe des Tunnels beträgt 50 bis 175 Meter und der Tunnelring weist eine Neigung von ca. 1,4 % gegenüber der Erdoberfläche auf. Zum Halten, Korrigieren und Fokussieren von Protonenstrahlen werden 1624 supraleitende Magnete verwendet, deren Gesamtlänge 22 km übersteigt. Die Magnete arbeiten bei einer Temperatur von 1,9 K (-271 °C), was etwas unter der Temperatur liegt, bei der Helium supraflüssig wird.

BAK-Detektoren

Der LHC verfügt über 4 Haupt- und 3 Hilfsdetektoren:

• ALICE (Ein großes Ionenkollider-Experiment)
• ATLAS (Ein toroidaler LHC-Apparat)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (Das Schönheitsexperiment des Large Hadron Collider)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider vorwärts)
• MoEDAL (Monopol- und Exotendetektor am LHC).

ATLAS, CMS, ALICE und LHCb sind große Detektoren, die um die Strahlkollisionspunkte herum angeordnet sind. Die TOTEM- und LHCf-Detektoren sind Hilfsdetektoren, die sich in einer Entfernung von mehreren zehn Metern von den Strahlkreuzungspunkten der CMS- bzw. ATLAS-Detektoren befinden und in Verbindung mit den Hauptdetektoren verwendet werden.

Die ATLAS- und CMS-Detektoren sind Allzweckdetektoren, die für die Suche nach dem Higgs-Boson und „nicht standardmäßiger Physik“, insbesondere dunkler Materie, ALICE – zur Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma bei Kollisionen schwerer Bleiionen und LHCb – zur Untersuchung der Physik konzipiert sind von B-Quarks, die ein besseres Verständnis der Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie ermöglichen werden, ist TOTEM darauf ausgelegt, die Streuung von Teilchen in kleinen Winkeln zu untersuchen, wie sie beispielsweise bei Nahflügen ohne Kollisionen auftreten (die sogenannten nicht kollidierenden Teilchen, vorwärts). Teilchen), die es ermöglicht, die Größe von Protonen genauer zu messen und die Leuchtkraft des Colliders zu steuern, und schließlich LHCf – für die Untersuchung der kosmischen Strahlung, modelliert unter Verwendung derselben nicht kollidierenden Teilchen.

Mit der Arbeit des LHC ist auch der siebte, in Bezug auf Budget und Komplexität recht unbedeutende Detektor (Experiment) MoEDAL verbunden, der für die Suche nach sich langsam bewegenden schweren Teilchen konzipiert ist.

Beim Betrieb des Colliders kommt es an allen vier Schnittpunkten der Strahlen gleichzeitig zu Kollisionen, unabhängig von der Art der beschleunigten Teilchen (Protonen oder Kerne). In diesem Fall erfassen alle Detektoren gleichzeitig Statistiken.

Teilchenbeschleunigung in einem Collider

Die Geschwindigkeit der Teilchen im LHC bei kollidierenden Strahlen liegt nahe an der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Beschleunigung von Teilchen auf solch hohe Energien erfolgt in mehreren Stufen. In der ersten Stufe injizieren die Niedrigenergie-Linearbeschleuniger Linac 2 und Linac 3 Protonen und Bleiionen zur weiteren Beschleunigung. Die Teilchen gelangen dann in den PS-Booster und dann in das PS selbst (Protonen-Synchrotron) und erreichen eine Energie von 28 GeV. Bei dieser Energie bewegen sie sich bereits mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit. Danach setzt sich die Teilchenbeschleunigung im SPS (Super Synchrotron Proton Synchrotron) fort, wo die Teilchenenergie 450 GeV erreicht. Das Protonenpaket wird dann in den 26,7 Kilometer langen Hauptring geleitet, wodurch die Protonenenergie auf maximal 7 TeV steigt und Detektoren die Ereignisse an den Kollisionspunkten aufzeichnen. Zwei kollidierende Protonenstrahlen können, wenn sie vollständig gefüllt sind, jeweils 2808 Pakete enthalten. An Anfangsstadien Beim Debuggen des Beschleunigungsprozesses zirkuliert nur ein Bündel in einem mehrere Zentimeter langen Strahl mit geringer Querabmessung. Dann beginnen sie, die Anzahl der Blutgerinnsel zu erhöhen. Die Bündel befinden sich in festen Positionen zueinander und bewegen sich synchron entlang des Rings. An vier Punkten des Rings, an denen sich Teilchendetektoren befinden, können Klumpen in einer bestimmten Reihenfolge kollidieren.

Die kinetische Energie aller Hadronenbündel im LHC ist bei vollständiger Befüllung mit der kinetischen Energie eines Düsenflugzeugs vergleichbar, obwohl die Masse aller Teilchen ein Nanogramm nicht überschreitet und sie mit bloßem Auge nicht einmal sichtbar sind. Diese Energie wird durch Teilchengeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreicht.

Blutgerinnsel verschwinden voller Kreis Das Gaspedal beschleunigt schneller als 0,0001 Sekunden und macht somit über 10.000 Umdrehungen pro Sekunde

Ziele und Zielsetzungen des LHC

Die Hauptaufgabe des Large Hadron Collider besteht darin, die Struktur unserer Welt in Entfernungen von weniger als 10–19 m herauszufinden und sie mit Teilchen mit einer Energie von mehreren TeV zu „untersuchen“. Mittlerweile gibt es bereits viele indirekte Beweise dafür, dass Physiker auf dieser Skala eine gewisse „neue Schicht der Realität“ entdecken sollten, deren Untersuchung Antworten auf viele Fragen der Grundlagenphysik liefern wird. Wie genau diese Schicht der Realität aussehen wird, ist im Voraus nicht bekannt. Theoretiker haben natürlich bereits Hunderte verschiedener Phänomene vorgeschlagen, die bei Kollisionsenergien von mehreren TeV beobachtet werden könnten, aber erst das Experiment wird zeigen, was in der Natur tatsächlich realisiert wird.

Die Suche nach einer neuen Physik Das Standardmodell kann nicht als endgültige Theorie der Elementarteilchen betrachtet werden. Es muss Teil einer tieferen Theorie der Struktur der Mikrowelt sein, des Teils, der in Experimenten an Kollidern bei Energien unter etwa 1 TeV sichtbar ist. Solche Theorien werden zusammenfassend als „Neue Physik“ oder „Jenseits des Standardmodells“ bezeichnet. Das Hauptziel des Large Hadron Collider besteht darin, zumindest erste Hinweise darauf zu erhalten, was diese tiefere Theorie ist. Um grundlegende Wechselwirkungen in einer Theorie weiter zu vereinheitlichen, werden verschiedene Ansätze verwendet: die Stringtheorie, die in der M-Theorie (Brane-Theorie) entwickelt wurde, die Supergravitationstheorie, die Schleifenquantengravitation usw. Einige von ihnen haben interne Probleme, andere jedoch nicht experimentelle Bestätigung. Das Problem besteht darin, dass zur Durchführung der entsprechenden Experimente Energien benötigt werden, die mit modernen Beschleunigern für geladene Teilchen nicht erreichbar sind. Der LHC wird Experimente ermöglichen, die bisher unmöglich waren, und wird wahrscheinlich einige dieser Theorien bestätigen oder widerlegen. So gibt es eine ganze Reihe physikalischer Theorien mit Dimensionen größer als vier, die von der Existenz einer „Supersymmetrie“ ausgehen – zum Beispiel die Stringtheorie, die manchmal gerade deshalb Superstringtheorie genannt wird, weil sie ohne Supersymmetrie verliert physikalische Bedeutung . Die Bestätigung der Existenz der Supersymmetrie wird somit eine indirekte Bestätigung der Wahrheit dieser Theorien sein. Untersuchung von Top-Quarks Das Top-Quark ist das schwerste Quark und darüber hinaus das schwerste bisher entdeckte Elementarteilchen. Nach den neuesten Ergebnissen des Tevatron beträgt seine Masse 173,1 ± 1,3 GeV/c 2. Aufgrund seiner großen Masse wurde das Top-Quark bisher nur an einem Beschleuniger beobachtet – dem Tevatron; andere Beschleuniger hatten einfach nicht genug Energie für seine Geburt. Darüber hinaus sind Top-Quarks nicht nur für sich genommen, sondern auch als „Arbeitswerkzeug“ für die Untersuchung des Higgs-Bosons für Physiker interessant. Einer der wichtigsten Kanäle für die Higgs-Boson-Produktion am LHC ist die assoziative Produktion zusammen mit einem Top-Quark-Antiquark-Paar. Um solche Ereignisse zuverlässig vom Hintergrund zu trennen, müssen zunächst die Eigenschaften der Top-Quarks selbst untersucht werden. Untersuchung des Mechanismus der elektroschwachen Symmetrie Eines der Hauptziele des Projekts ist der experimentelle Nachweis der Existenz des Higgs-Bosons, eines Teilchens, das der schottische Physiker Peter Higgs 1964 im Rahmen des Standardmodells vorhersagte. Das Higgs-Boson ist ein Quantum des sogenannten Higgs-Feldes, bei dessen Durchgang Teilchen einen Widerstand erfahren, den wir als Massenkorrekturen darstellen. Das Boson selbst ist instabil und hat eine große Masse (mehr als 120 GeV/c 2). Tatsächlich interessieren sich Physiker weniger für das Higgs-Boson selbst als vielmehr für den Higgs-Mechanismus zur Symmetriebrechung der elektroschwachen Wechselwirkung. Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma Es wird erwartet, dass etwa ein Monat pro Jahr im Beschleuniger im nuklearen Kollisionsmodus verbracht wird. In diesem Monat wird der Collider beschleunigen und nicht Protonen, sondern Bleikerne in Detektoren kollidieren lassen. Beim unelastischen Zusammenstoß zweier Kerne mit ultrarelativistischen Geschwindigkeiten entsteht für kurze Zeit ein dichter und sehr heißer Klumpen Kernmaterie, der dann zerfällt. Das Verständnis der in diesem Fall auftretenden Phänomene (Übergang der Materie in den Zustand von Quark-Gluon-Plasma und deren Abkühlung) ist notwendig, um eine fortgeschrittenere Theorie starker Wechselwirkungen zu entwickeln, die sowohl für die Kernphysik als auch für die Astrophysik nützlich sein wird. Die Suche nach Supersymmetrie Die erste bedeutende wissenschaftliche Errungenschaft der LHC-Experimente könnte der Beweis oder die Widerlegung der „Supersymmetrie“ sein – der Theorie, dass jedes Elementarteilchen einen viel schwereren Partner, ein „Superteilchen“, hat. Untersuchung von Photon-Hadron- und Photon-Photon-Kollisionen Elektromagnetische Wechselwirkung von Teilchen wird als Austausch von (teils virtuellen) Photonen beschrieben. Mit anderen Worten: Photonen sind Träger des elektromagnetischen Feldes. Protonen sind elektrisch geladen und von einem elektrostatischen Feld umgeben; dementsprechend kann dieses Feld als eine Wolke virtueller Photonen betrachtet werden. Jedes Proton, insbesondere ein relativistisches Proton, enthält eine Wolke aus virtuellen Teilchen wie Komponente. Wenn Protonen kollidieren, interagieren auch die virtuellen Teilchen, die jedes Proton umgeben. Mathematisch wird der Prozess der Teilchenwechselwirkung durch eine lange Reihe von Korrekturen beschrieben, von denen jede die Wechselwirkung durch virtuelle Teilchen beschreibt bestimmter Typ(siehe: Feynman-Diagramme). Bei der Untersuchung der Kollision von Protonen wird also die Wechselwirkung von Materie mit hochenergetischen Photonen dargestellt großes Interesse Für theoretische Physik. Eine besondere Klasse von Reaktionen wird ebenfalls berücksichtigt – die direkte Wechselwirkung zweier Photonen, die entweder mit einem entgegenkommenden Proton kollidieren können, was zu typischen Photon-Hadron-Kollisionen führt, oder miteinander. Im nuklearen Kollisionsmodus aufgrund der großen elektrische Ladung Im Kern ist der Einfluss elektromagnetischer Prozesse noch wichtiger. Exotische Theorien auf den Prüfstand stellen Die Theoretiker des ausgehenden 20. Jahrhunderts haben eine große Zahl davon aufgestellt ungewöhnliche Ideenüber die Struktur der Welt, die zusammenfassend als „exotische Modelle“ bezeichnet werden. Dazu gehören Theorien mit starker Schwerkraft auf einer Energieskala in der Größenordnung von 1 TeV, Modelle mit Große anzahl räumliche Dimensionen, Preon-Modelle, in denen Quarks und Leptonen selbst aus Teilchen bestehen, Modelle mit neuartigen Wechselwirkungen. Tatsache ist, dass die gesammelten experimentellen Daten immer noch nicht ausreichen, um eine einzige Theorie zu erstellen. Und alle diese Theorien selbst sind mit den verfügbaren experimentellen Daten kompatibel. Da diese Theorien spezifische Vorhersagen für den LHC treffen können, planen Experimentatoren, die Vorhersagen zu testen und in ihren Daten nach Spuren bestimmter Theorien zu suchen. Es wird erwartet, dass die am Beschleuniger erzielten Ergebnisse die Vorstellungskraft der Theoretiker einschränken und einige der vorgeschlagenen Konstruktionen schließen können. Sonstiges Es wird auch erwartet, dass physikalische Phänomene entdeckt werden, die über das Standardmodell hinausgehen. Es ist geplant, die Eigenschaften von W- und Z-Bosonen, Kernwechselwirkungen bei ultrahohen Energien sowie Produktions- und Zerfallsprozesse schwerer Quarks (b und t) zu untersuchen.

Vielleicht kennt die ganze Welt das grandioseste wissenschaftliche Gebäude Europas – den Large Hadron Collider, der in der Nähe der Schweizer Stadt Genf errichtet wurde.

Vor der Einführung gab es viele panische Gerüchte über den bevorstehenden Weltuntergang und dass die Installation der Umwelt in der Schweiz irreparablen Schaden zufügen würde. Allerdings vergehen Jahre, der Collider funktioniert, aber die Welt bleibt dieselbe. Warum wurde ein so riesiges und teures Bauwerk gebaut? Lass es uns herausfinden.

Was ist der Large Hadron Collider?

Das Design des Large Hadron Collider (LHC) hat nichts Mystisches. Dabei handelt es sich lediglich um einen Beschleuniger für geladene Elementarteilchen, der zur Beschleunigung schwerer Teilchen und zur Untersuchung der Produkte erforderlich ist, die bei der Kollision mit anderen Teilchen entstehen.

Weltweit gibt es mehr als ein Dutzend ähnlicher Anlagen, darunter russische Beschleuniger in Dubna bei Moskau und Nowosibirsk. Der LHC wurde erstmals im Jahr 2008 gestartet, arbeitete jedoch aufgrund eines Unfalls, der sich kurz darauf ereignete, lange Zeit mit geringer Energieleistung und erst seit 2015 ist es möglich, die Anlage mit ihrer Auslegungskapazität zu betreiben.

Wie fast alle ähnlichen Anlagen ist der LHC ein ringförmig angelegter Tunnel. Es liegt in einer Tiefe von etwa 100 Metern an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Genau genommen besteht das LHC-System aus zwei Einheiten, einer mit kleinerem und einer mit größerem Durchmesser. Die Länge des großen Tunnels übersteigt die Größe aller anderen heute existierenden Beschleuniger und beträgt 25,5 Kilometer, weshalb der Collider den Namen Big erhielt.

Warum wurde der Collider gebaut?

Moderne Physiker gelang es, ein theoretisches Modell zu entwickeln, das drei grundlegende Wechselwirkungen der vier existierenden kombiniert und das Standardmodell (SM) nennt. Allerdings kann sie noch nicht als umfassende Theorie der Struktur der Welt angesehen werden, da der Bereich, den Wissenschaftler als Theorie der Quantengravitation bezeichnen und der die Gravitationswechselwirkung beschreibt, praktisch unerforscht ist. Die führende Rolle dabei soll der Theorie zufolge der Mechanismus der Teilchenmassenbildung, das sogenannte Higgs-Boson, spielen.


Wissenschaftler auf der ganzen Welt hoffen, dass die Forschung am LHC es ermöglicht, die Eigenschaften des Higgs-Bosons experimentell zu untersuchen. Darüber hinaus ist die Untersuchung von Quarks von großem Interesse – so heißen die Elementarteilchen, die Hadronen bilden (wegen ihnen wird der Collider hadronisch genannt).

Wie funktioniert der LHC?

Wie bereits erwähnt, handelt es sich beim LHC um einen runden Tunnel, der aus einem Haupt- und Hilfsringen besteht. Die Wände des Tunnels bestehen aus vielen starken Elektromagneten, die ein Feld erzeugen, das Mikropartikel beschleunigt. Die anfängliche Beschleunigung erfolgt im Hilfstunnel, im Hauptring erreichen die Teilchen jedoch die erforderliche Geschwindigkeit, woraufhin die auf sie zuströmenden Teilchen kollidieren und das Ergebnis ihrer Kollision von hochempfindlichen Instrumenten aufgezeichnet wird.

Als Ergebnis zahlreicher Experimente gab die Leitung des CERN (Europäischer Rat für Kernforschung) im Juli 2012 bekannt, dass die Experimente das Higgs-Boson entdeckt hatten. Derzeit wird dieses Phänomen weiter untersucht, da viele seiner Eigenschaften von den theoretisch vorhergesagten abweichen.

Warum brauchen Menschen einen BAC?

Die Kosten für den Bau des LHC beliefen sich laut verschiedenen Quellen auf über 6 Milliarden US-Dollar. Noch beeindruckender wird der Betrag, wenn man sich die jährlichen Kosten für den Betrieb der Anlage vor Augen führt. Warum müssen Sie so hohe Kosten tragen, welche Vorteile bringt der Collider? gewöhnliche Menschen?

Die am LHC geplante und bereits laufende Forschung könnte den Menschen in Zukunft Zugang zu billiger Energie ermöglichen, die buchstäblich aus der Luft gewonnen werden kann. Dies wird vielleicht die ehrgeizigste wissenschaftliche und technologische Revolution in der Geschichte der Menschheit sein. Darüber hinaus könnten Menschen durch das Verständnis des Mechanismus des Higgs-Bosons Macht über eine Kraft erlangen, die für den Menschen völlig unkontrollierbar bleibt – über die Schwerkraft.


Natürlich werden die Entdeckungen, die mit Hilfe des Large Hadron Collider gemacht werden, es uns morgen nicht ermöglichen, die Technologie der Umwandlung von Materie in Energie zu beherrschen oder ein Anti-Schwerkraft-Flugzeug zu bauen – praktische Ergebnisse werden erst in ferner Zukunft erwartet . Experimente werden es uns jedoch ermöglichen, noch ein paar kleine Schritte zum Verständnis der Essenz der Struktur des Universums zu unternehmen.