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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 Kreisbahn zu halten, sind stärkere Magnetfelder nötig als bisher in anderen CERN-Beschleunigern.

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

Darin soll er mit Hilfe von 120 starken Elektromagneten bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt – minus 271,3 Grad Celsius – kollidierende Protonenstrahlen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit (99,9 Prozent) zerstreuen.An einigen Stellen werden sich ihre Wege jedoch kreuzen, wodurch die Protonen kollidieren können. Die Teilchen werden von mehreren tausend supraleitenden Magneten geführt.Wenn genügend Energie vorhanden ist, kollidieren die Teilchen und erzeugen so ein Modell des Urknalls.Tausende Sensoren werden die Momente der Kollision aufzeichnen. Die Folgen der Kollision von Protonen werden zum Hauptgegenstand des Studiums der Welt. [ http://dipland.ru /Cybernetics/Large_Hadron_Collider_92988]

Technische Eigenschaften

Der Beschleuniger soll Protonen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV (also 14 Tera Elektron-Volt oder 14 1012 Elektronenvolt) inSchwerpunktsystem einfallende Teilchen sowie Kerne führen mit einer Energie von 5 GeV (5 109 Elektronenvolt) für jedes Kollisionspaar Nukleonen. Anfang 2010 Der LHC hat den bisherigen Rekordhalter in Sachen Protonenenergie – den Proton-Antiproton-Collider – bereits etwas übertroffen Tevatron , der bis Ende 2011 in arbeiteteNationales Beschleunigerlabor. Enrico Fermi(VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA ). Obwohl sich die Anpassung der Ausrüstung über Jahre hinzieht und noch nicht abgeschlossen ist, hat sich der LHC bereits jetzt zum energiereichsten Elementarteilchenbeschleuniger der Welt entwickelt und andere Beschleuniger, einschließlich des relativistischen Schwerions, energetisch um eine Größenordnung übertroffen Collider RHIC, tätig in Brookhaven Labor(VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA).

Detektoren

Der LHC hat 4 Haupt- und 3 Hilfsdetektoren:

· Alice (Ein großes Ionenbeschleuniger-Experiment)

ATLAS (ein toroidaler LHC-Apparat)

CMS (Compact Myon Solenoid)

LHCb (Das Schönheitsexperiment des Large Hadron Collider)

TOTEM (TOTal Elastische und diffraktive Querschnittsmessung)

LHCf (Der Large Hadron Collider vorwärts)

MoEDAL (Monopol- und Exotendetektor am LHC).

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

CMS-Detektor

ATLAS- und CMS-Detektoren sind universelle Detektoren, die speziell für die Suche nach dem Higgs-Boson und "Nicht-Standard-Physik" entwickelt wurden Dunkle Materie , ALICE - zu studierenQuark-Gluon-Plasma bei Blei-Schwerionen-Kollisionen, LHCb - für die physikalische Forschungb-Quarks um die Unterschiede besser zu verstehen Materie und Antimaterie , TOTEM - entwickelt, um die Streuung von Teilchen unter kleinen Winkeln zu untersuchen, wie sie bei engen Flügen ohne Kollisionen auftreten (die sogenannten nicht kollidierenden Teilchen, Vorwärtsteilchen), wodurch Sie auch die Größe von Protonen genauer messen können B. zur Kontrolle der Leuchtkraft des Colliders, und schließlich LHCf – für die Forschungkosmische Strahlung , modelliert unter Verwendung der gleichen nicht kollidierenden Partikel.

Die Arbeit des LHC ist auch mit dem siebten, hinsichtlich Budget und Komplexität eher unbedeutenden Detektor (Experiment) MoEDAL verbunden, der auf die Suche nach sich langsam bewegenden schweren Teilchen ausgelegt ist.

Beim Betrieb des Colliders werden an allen vier Schnittpunkten der Strahlen gleichzeitig Kollisionen durchgeführt, unabhängig von der Art der beschleunigten Teilchen (Protonen oder Kerne). Gleichzeitig sammeln alle Detektoren gleichzeitig Statistiken.

Energieverbrauch

Während des Betriebs des Colliders beträgt der geschätzte Energieverbrauch 180 M Di . Geschätzter Gesamtenergieverbrauch CERN für 2009 unter Berücksichtigung des Betriebsbeschleunigers - 1000 GWh, von denen 700 GWh auf den Anteil des Beschleunigers entfallen werden. Diese Energiekosten machen etwa 10 % des gesamten jährlichen Energieverbrauchs aus. Kanton Genf . CERN selbst produziert keine Energie, da es nur Reserven hatDieselgeneratoren.[http://ru.wikipedia.org/wiki/]

Es ist möglich, dass das Internet in einigen Jahren einer neuen, tieferen Integration von Remote-Computern weichen wird, die es nicht nur ermöglicht, Informationen aus der Ferne zu übertragen, die in verschiedenen Teilen der Welt lokalisiert sind, sondern auch automatisch Remote-Computing-Ressourcen zu nutzen. Im Zusammenhang mit dem Start des Large Hadron Collider arbeitet CERN seit mehreren Jahren an der Schaffung eines solchen Netzwerks.

Die Tatsache, dass das Internet (oder das, was mit dem Begriff Web bezeichnet wird) von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) erfunden wurde, ist seit langem eine Tatsache aus dem Lehrbuch. Rund um das Schild "In diesen Korridoren wurde das weltweite Netzwerk geschaffen" in einem der normalen Korridore des regulären CERN-Gebäudes während des Tages offene Türen es gibt immer viele Zuschauer. Jetzt 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 des Planeten befinden, miteinander kommunizieren, Daten austauschen und Informationen veröffentlichen können könnte aus der Ferne zugegriffen werden.

GRID-System, das am CERN entwickelt wird (auf Englisch grid - Gitter, Netzwerk) ist ein weiterer Schritt nach vorn, eine neue Stufe bei der Integration von Computernutzern.

Es bietet nicht nur die Möglichkeit, Daten zu veröffentlichen, die sich irgendwo auf der Welt befinden, sondern auch entfernte Maschinenressourcen zu nutzen, ohne Ihren Platz zu verlassen.

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

Die Schaffung dieses Systems provozierte den Large Hadron Collider. Obwohl GRID bereits für viele andere Aufgaben verwendet wird, würde es ohne den Collider nicht existieren, und umgekehrt ist ohne GRID die Verarbeitung der Ergebnisse des Colliders unmöglich.

Die Menschen, die in den LHC-Kollaborationen arbeiten, befinden sich in verschiedenen Teilen des Planeten. Es ist bekannt, dass nicht nur Europäer an diesem Gerät arbeiten, sondern alle 20 Länder - offizielle CERN-Teilnehmer, insgesamt etwa 35 Länder. Um den Betrieb des LHC sicherzustellen, gäbe es theoretisch eine Alternative zu GRID – eine Erweiterung der eigenen Rechenressourcen des CERN-Rechenzentrums. Doch die zum Zeitpunkt der Problemstellung zur Verfügung stehenden Ressourcen waren völlig unzureichend, um den Betrieb des Beschleunigers zu simulieren, Informationen aus seinen Experimenten zu speichern und seine wissenschaftliche Verarbeitung zu ermöglichen. Dafür müsste das Rechenzentrum erheblich umgebaut und modernisiert werden, weitere Rechner und Datenspeicher müssten angeschafft werden. Dies würde jedoch bedeuten, dass die gesamte Finanzierung im CERN konzentriert würde. Dies war für Länder, die weit vom CERN entfernt sind, nicht sehr akzeptabel. Natürlich waren sie nicht daran interessiert, Ressourcen zu sponsern, die sehr schwierig zu verwenden wären, und neigten eher dazu, ihr Computer- und Maschinenpotenzial zu erhöhen. Daher wurde die Idee geboren, Ressourcen dort zu nutzen, wo sie sind.

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

Vor ein paar Jahren hatte ich keine Ahnung, was Hadron Collider, das Higgs-Boson, und warum Tausende von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt auf einem riesigen physischen Campus an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich arbeiten und Milliarden von Dollar in den Boden stecken.
Dann ist für mich, wie auch für viele andere Bewohner des Planeten, der Ausdruck Large Hadron Collider das Wissen um Elementarteilchen, die darin mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren und etwa eins größten Entdeckungen jüngster Zeit - das Higgs-Boson.

Und so hatte ich Mitte Juni Gelegenheit, mit eigenen Augen zu sehen, worüber so viel geredet wird und worüber so viele widersprüchliche Gerüchte kursieren.
Es war nicht nur ein kurzer Ausflug, sondern ein ganzer Tag im weltgrößten Labor für Kernphysik – CERN. Hier haben wir es geschafft, mit den Physikern selbst zu kommunizieren und viele interessante Dinge auf diesem wissenschaftlichen Campus zu sehen, zum Allerheiligsten hinunterzugehen - dem Large Hadron Collider (und schließlich, wenn er gestartet wird und Tests durchgeführt werden, jeder Zugang von außen ist unmöglich), die Fabrik zur Herstellung von Riesenmagneten für den Collider zu besuchen, das Atlas-Zentrum zu besuchen, wo Wissenschaftler die im Collider gewonnenen Daten analysieren, den neuesten im Bau befindlichen Linearcollider heimlich zu besichtigen und sogar, fast wie bei einer Suche, praktisch mitgehen dorniger Weg Elementarteilchen, vom Ende bis zum Anfang. Und sehen Sie, wo alles beginnt ...
Aber über all dies in separaten Beiträgen. Heute nur der Large Hadron Collider.
Wenn man es einfach nennen kann, weigert sich mein Gehirn zu verstehen, WIE so etwas erst erfunden und dann gebaut werden konnte.

2. Vor vielen Jahren wurde dieses Bild weltberühmt. Viele glauben, dass dies der Big Hadron im Zusammenhang ist. Tatsächlich ist dies ein Abschnitt eines der größten Detektoren - CMS. Sein Durchmesser beträgt etwa 15 Meter. Dies ist nicht der größte Detektor. Der Durchmesser des Atlas beträgt etwa 22 Meter.

3. Um grob zu verstehen, was es im Allgemeinen ist und wie groß der Collider ist, schauen wir uns die Satellitenkarte an.
Dies ist ein Vorort von Genf, ganz in der Nähe des Genfer Sees. Hier befindet sich der riesige CERN-Campus, auf den ich später noch gesondert eingehen werde, und eine Reihe von Collidern befinden sich in verschiedenen Tiefen unter der Erde. Ja Ja. Er ist nicht allein. Es gibt zehn von ihnen. Der Large Hadron krönt diese Struktur einfach bildlich gesprochen und vervollständigt die Kette von Collidern, durch die Elementarteilchen beschleunigt werden. Ich werde darüber auch separat sprechen, zusammen mit dem Teilchen vom Großen (LHC) bis zum allerersten, linearen Linearbeschleuniger.
Der LHC-Ring hat einen Durchmesser von fast 27 Kilometern und liegt in einer Tiefe von etwas mehr als 100 Metern (der größte Ring in der Abbildung).
Der LHC hat 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 kontinuierlicher Darm dieser blauen Segmente befindet. Das sind Magnete. Riesige Magnete, in denen ein verrücktes Magnetfeld entsteht, in dem sich Elementarteilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Es gibt insgesamt 1734 von ihnen.

5. Im Inneren des Magneten sieht es so aus Komplexe Struktur. Hier gibt es von allem viel, aber das Grundlegendste sind zwei hohle Röhren im Inneren, in denen Protonenstrahlen fliegen.
An vier Stellen (in denselben Detektoren) kreuzen sich diese Röhren und die Protonenstrahlen kollidieren. An den Stellen, an denen sie kollidieren, zerstreuen sich die Protonen in verschiedene Teilchen, was von den Detektoren fixiert wird.
Hier soll kurz darüber gesprochen werden, was dieser Unsinn ist und wie er funktioniert.

6. Also, 14. Juni, morgens, CERN. Wir kommen zu einem unauffälligen Zaun mit einem Tor und einem kleinen Gebäude auf dem Territorium.
Dies ist der Eingang zu einem der vier Detektoren des Large Hadron Collider – CMS.
Hier möchte ich ein wenig innehalten, um darüber zu sprechen, wie wir es überhaupt geschafft haben, hierher zu kommen, und dank wem.
Und es 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.
Andrei (er trägt ein grünes T-Shirt) ist nie gegen Gäste und trägt immer gerne dazu bei, dieses Mekka der Kernphysik zu besuchen.
Wissen Sie, was interessant ist? Dies ist der Zugangsmodus am Collider und am CERN im Allgemeinen.
Ja, alles ist auf einer Magnetkarte, aber ... ein Mitarbeiter mit seinem Pass hat Zugang zu 95% des Territoriums und der Objekte.
Und nur solche mit hohem Niveau Strahlungsgefahr, benötigen Sie einen speziellen Zugriff - dieser befindet sich im Collider selbst.
Und so bewegen sich die Mitarbeiter problemlos durch das Gebiet.
Für einen Moment - Milliarden von Dollar und viele der unglaublichsten Geräte wurden hier investiert.
Und dann erinnere ich mich an einige verlassene Objekte auf der Krim, wo schon lange alles ausgeschnitten ist, aber trotzdem alles megageheim ist, man kann sowieso nicht darauf schießen, und das Objekt ist Gott weiß was für ein strategische.
Es ist nur so, dass die Menschen hier ausreichend mit dem Kopf denken.

7. So sieht das CMS-Territorium aus. Keine Angeber für Sie im Außenbereich und Superautos auf dem Parkplatz. Aber sie können es sich leisten. Es besteht einfach keine Notwendigkeit.

8. Das CERN als weltweit führendes Forschungszentrum auf dem Gebiet der Physik geht in Sachen Öffentlichkeitsarbeit in verschiedene Richtungen. Einer von ihnen ist der sogenannte "Baum".
Es lädt ein Schullehrer in Physik ab verschiedene Länder und Städte. Hier werden sie gezeigt und erzählt. Die Lehrer kehren dann in ihre Schulen zurück und berichten den Schülern, was sie gesehen haben. Eine gewisse Anzahl von Studenten beginnt, inspiriert von der Geschichte, mit großem Interesse Physik zu studieren, geht dann für physikalische Fachrichtungen an Universitäten und wird in Zukunft vielleicht sogar hier arbeiten.
Aber während die Kinder noch in der Schule sind, haben sie auch die Möglichkeit, das CERN zu besuchen und natürlich zum Large Hadron Collider hinunterzugehen.
Mehrmals im Monat finden hier spezielle „Tage der offenen Tür“ für begabte, physikbegeisterte Kinder aus verschiedenen Ländern statt.
Sie werden von genau den Lehrern ausgewählt, die das Herz dieses Baums bildeten, und reichen Vorschläge beim CERN-Büro in der Schweiz ein.
Zufälligerweise kam an dem Tag, als wir uns den Large Hadron Collider ansahen, eine solche Gruppe aus der Ukraine hierher – Kinder, Schüler der Kleinen Akademie der Wissenschaften, die einen schwierigen Wettbewerb bestanden hatten. Zusammen mit ihnen stiegen wir in eine Tiefe von 100 Metern hinab, ins Herz des Collider.

9. Ruhm mit unseren Abzeichen.
Pflichtelemente der hier arbeitenden Physiker sind ein Helm mit Taschenlampe und Stiefel mit einer Metallplatte an der Zehe (zum Schutz der Zehen bei fallender Last)

10. Begabte Kinder, die sich für Physik begeistern. In wenigen Minuten wird ihr Platz wahr werden – sie werden in den Large Hadron Collider hinabsteigen

11. Arbeiter spielen Domino und ruhen sich vor der nächsten Schicht im Untergrund aus.

12. Kontroll- und Verwaltungszentrum CMS. Primärdaten von den Hauptsensoren, die hier die Funktionsweise der Systemherde charakterisieren.
Während des Betriebs des Beschleunigers arbeitet hier ein Team von 8 Personen rund um die Uhr.

13. Es muss gesagt werden, dass in dieser Moment Der Large Hadronny wurde für zwei Jahre abgeschaltet, um ein Programm zur Reparatur und Modernisierung des Colliders durchzuführen.
Tatsache ist, dass es vor 4 Jahren einen Unfall gab, nach dem der Collider nicht mehr funktionierte volle Kraft(Ich werde über den Unfall im nächsten Beitrag sprechen).
Nach der Modernisierung, die 2014 endet, soll sie noch stärker ausgelastet werden.
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 die einzige Rettungsmöglichkeit im Notfall, wie z Hier gibt es keine Treppen. Das heißt, dies ist der sicherste Ort im CMS.
Gemäß den Anweisungen sollte sich im Alarmfall das gesamte Personal sofort zum Aufzug begeben.
Hier wird ein übermäßiger Druck erzeugt, damit im Falle von Rauch kein Rauch ins Innere gelangt und Menschen nicht vergiftet werden.

15. Boris ist besorgt, dass es keinen Rauch gibt

16. Tief. Hier ist alles von Kommunikation durchdrungen

17. Endlose Kilometer von Drähten und Datenkabeln

18. Es gibt eine große Anzahl von Rohren. Die sogenannte Kryotechnik. Tatsache ist, dass im Inneren der Magnete Helium zur Kühlung verwendet wird. Neben der Hydraulik ist auch die Kühlung anderer Systeme erforderlich.

19. In den Datenverarbeitungsräumen des Detektors befindet sich eine große Anzahl von Servern.
Sie werden in sogenannte unglaubliche Leistungsauslöser gruppiert.
Beispielsweise sollte der erste Trigger in 3 Millisekunden aus 40.000.000 Ereignissen etwa 400 auswählen und an den zweiten Trigger übertragen – die höchste Ebene.

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

21. Globaler Auslöser. Es besteht aus 200 Computern

22. Was ist Apple? Dell!!!

23. Serverschränke sind sicher verschlossen

24. Eine lustige Zeichnung auf einem der Arbeitsplätze des Bedieners.

25. Ende 2012 wurde das Higgs-Boson als Ergebnis eines Experiments am Large Hadron Collider entdeckt, und dieses Ereignis wurde von CERN-Mitarbeitern weithin zur Kenntnis genommen.
Champagnerflaschen wurden nach der Feier nicht weggeworfen, weil man glaubte, dass dies erst der Anfang großer Dinge sei

26. Bei der Annäherung an den Detektor selbst warnen überall Schilder vor Strahlungsgefahr.

26. Alle Mitarbeiter des Collider haben persönliche Dosimeter, die sie zum Lesegerät bringen und ihren Standort aufzeichnen müssen.
Das Dosimeter akkumuliert den Strahlungspegel und informiert den Mitarbeiter, wenn er sich der Grenzdosis nähert, und übermittelt die Daten auch online an die Kontrollstelle, um zu warnen, dass sich eine Person in der Nähe des Beschleunigers befindet, die in Gefahr ist

27. Vor dem Detektor ein Zugangssystem der obersten Ebene.
Sie können eintreten, indem Sie eine persönliche Karte und ein Dosimeter anbringen und einen Netzhautscan bestehen

28. Was ich tue

29. Und hier ist er – der Detektor. Ein kleiner Stachel im Inneren ist so etwas wie ein Bohrfutter, das diese riesigen Magnete enthält, die jetzt ziemlich klein erscheinen würden. Im Moment gibt es keine Magnete, weil. Modernisierung unterzogen

30. Im funktionsfähigen Zustand ist der Detektor angeschlossen und sieht aus wie ein einziges Ganzes

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

32. Vergleichen Sie die Größe des Detektors mit den Menschen und Maschinen, die unten arbeiten

33. Blaue Kabel - Strom, rot - Daten

34. Interessanterweise verbraucht der Big Hadron während des Betriebs 180 Megawatt Strom pro Stunde.

35. Laufende Sensorwartungsarbeiten

36. Zahlreiche Sensoren

37. Und die Macht zu ihnen ... die Glasfaser kehrt zurück

38. Das Aussehen einer unglaublich klugen Person.

39. Anderthalb Stunden unter der Erde vergehen wie fünf Minuten ... Nachdem Sie auf die sterbliche Erde zurückgekehrt sind, denken Sie unwillkürlich ... WIE das gemacht werden kann.
Und WARUM tun sie es….

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

Wie der berühmte britische Denker Bertrand Russell einmal sagte: "- this is what you know, Philosophy is what you don't know." Es scheint, dass es wahr ist wissenschaftliches Wissen längst von ihren Ursprüngen getrennt, die in der philosophischen Forschung zu finden sind Antikes Griechenland, aber es ist nicht so.

Während des gesamten zwanzigsten Jahrhunderts haben Wissenschaftler versucht, in der Wissenschaft die Antwort auf die Frage nach dem Aufbau der Welt zu finden. Dieser Prozess ähnelte der Suche nach dem Sinn des Lebens: eine Unmenge an Theorien, Vermutungen und sogar verrückten Ideen. Zu welchen Schlussfolgerungen sind Wissenschaftler gekommen? Beginn des XXI Jahrhundert?

Die ganze Welt besteht aus Elementarteilchen, die die endgültigen Formen von allem sind, was existiert, das heißt, was nicht in kleinere Elemente zerlegt werden kann. Dazu gehören Protonen, Elektronen, Neutronen und so weiter. Diese Teilchen stehen in ständiger Wechselwirkung miteinander. Zu Beginn unseres Jahrhunderts wurde es in 4 Grundtypen ausgedrückt: gravitativ, elektromagnetisch, stark und schwach. Die erste wird durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, die anderen drei werden im Rahmen des Standardmodells (Quantentheorie) kombiniert. Es wurde auch vorgeschlagen, dass es eine andere Wechselwirkung gibt, die später als "Higgs-Feld" bezeichnet wird.

Nach und nach entstand die Idee, alle grundlegenden Wechselwirkungen im Rahmen von „ Theorie von allem“, der zunächst als Witz wahrgenommen wurde, sich aber schnell zu einem mächtigen entwickelte wissenschaftliche Richtung. Warum wird das benötigt? Alles ist einfach! Ohne zu verstehen, wie die Welt funktioniert, sind wir wie Ameisen in einem künstlichen Nest – wir kommen nicht über unsere Grenzen hinaus. Menschliches Wissen kann nicht (naja, bzw Tschüss nicht, wenn Sie ein Optimist sind) die Struktur der Welt in ihrer Gesamtheit abdecken.

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

Wissenschaftler, Jahrzehnte später, hatten es satt, von der Tribüne aus zu senden, und beschlossen, etwas zu bauen, das ein für alle Mal das i-Tüpfelchen setzen sollte. Dafür wurde die weltweit größte Versuchsanlage geschaffen - Large Hadron Collider (LHC).

"Zum Collider!"

Was ist ein Collider? Wenn zu sprechen Wissenschaftliche Sprache, dann ist dies ein Beschleuniger für geladene Teilchen, der Elementarteilchen beschleunigen soll, um deren Wechselwirkung besser zu verstehen. Laienhaft ausgedrückt ist es eine große Arena (oder Sandbox, wenn Sie so wollen), in der Wissenschaftler darum kämpfen, ihre Theorien zu beweisen.

Die Idee, Elementarteilchen zu kollidieren und zu sehen, was passiert, kam erstmals 1956 von dem amerikanischen Physiker Donald William Kerst. Er schlug vor, dass Wissenschaftler dadurch in die Geheimnisse des Universums eindringen können. Es scheint, dass was falsch daran ist, zwei Protonenstrahlen mit einer millionenfach höheren Gesamtenergie als bei der thermonuklearen Fusion zusammenzuschieben? Die Zeiten waren angemessen: der Kalte Krieg, das Wettrüsten und all das.

Die Entstehungsgeschichte des LHC

Die Idee, einen Beschleuniger zur Gewinnung und Untersuchung geladener Teilchen zu entwickeln, entstand Anfang der 1920er Jahre, aber die ersten Prototypen wurden erst Anfang der 1930er Jahre hergestellt. Ursprünglich waren sie Hochspannungs-Linearbeschleuniger, also geladene Teilchen, die sich geradlinig bewegten. Die Ringversion wurde 1931 in den USA eingeführt, danach tauchten ähnliche Geräte in einer Reihe von auf Industrieländer- Großbritannien, Schweiz, UdSSR. Sie haben den Namen bekommen Zyklotrone, und wurde später aktiv zur Herstellung von Atomwaffen eingesetzt.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Kosten für den Bau eines Teilchenbeschleunigers unglaublich hoch sind. Europa, das während des Kalten Krieges eine untergeordnete Rolle spielte, gab seine Schaffung in Auftrag Europäische Organisation für Kernforschung (auf Russisch oft CERN gelesen), die später den Bau des LHC aufnahm.

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

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 herausragende Rolle bei der Erforschung der entdeckten Bosonen spielte. Doch schon damals zeichnete sich ab, dass die Kapazität des geschaffenen Gerätes bald nicht mehr ausreichen würde. Und 1984 wurde beschlossen, den LHC direkt nach dem Abbau des BEPC zu bauen. So geschehen im Jahr 2000.

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

Auf der dieser Moment Der LHC befindet sich in einem Tunnel mit einem Umfang von 26,7 km und durchquert die Territorien von zwei europäische Länder- Frankreich und die Schweiz. Die Tiefe des Tunnels variiert zwischen 50 und 175 Metern. Es sollte auch beachtet werden, dass die Kollisionsenergie von Protonen im Beschleuniger 14 Teraelektronenvolt erreicht, was 20-mal höher ist als die mit BEPC erzielten Ergebnisse.

„Neugier ist kein Laster, sondern ein großer Ekel“

Der 27 km lange Tunnel des CERN-Colliders liegt 100 Meter unter der Erde in der Nähe von Genf. Hier werden riesige supraleitende Elektromagnete stehen. Rechts Transportwagen. Juhanson/wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

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

Ziele, die sich Wissenschaftler beim Bau des LHC gesetzt haben:

1. Bestätigung oder Widerlegung des Standardmodells, um weiter eine „Theory of Everything“ zu erstellen.
2. Beweis der Existenz des Higgs-Bosons als Teilchen der fünften fundamentalen Wechselwirkung. Laut theoretischer Forschung sollte es die elektrischen und schwachen Wechselwirkungen beeinflussen und ihre Symmetrie brechen.
3. Die Untersuchung von Quarks, die ein Elementarteilchen sind, das 20.000 Mal kleiner ist als die aus ihnen bestehenden Protonen.
4. Gewinnung und Untersuchung der Dunklen Materie, die den größten Teil des Universums ausmacht.

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

Was wurde erreicht?

Die größte und bedeutendste Errungenschaft war zweifelsohne die offizielle Bestätigung der Existenz Higgs-Boson. Die Entdeckung der fünften Wechselwirkung (Higgs-Feld), die laut Wissenschaftlern den Massenerwerb aller Elementarteilchen beeinflusst. Es wird angenommen, dass die W- und Z-Bosonen massiv werden, wenn die Symmetrie während der Einwirkung des Higgs-Feldes auf andere Felder gebrochen wird. Die Entdeckung des Higgs-Bosons ist in seiner Bedeutung so bedeutend, dass eine Reihe von Wissenschaftlern ihm den Namen "göttliche Teilchen" gegeben haben.

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

Obwohl die Quarks selbst bei der Nutzung des LHC nicht entdeckt wurden, wurde ihre Existenz bis zu einem gewissen Zeitpunkt als mathematische Abstraktion wahrgenommen. Die ersten derartigen Teilchen wurden 1968 gefunden, aber erst 1995 wurde die Existenz eines „echten Quarks“ offiziell bewiesen. Die Ergebnisse der Versuche werden durch die Möglichkeit der Reproduzierbarkeit bestätigt. Daher wird das Erreichen eines ähnlichen Ergebnisses durch den LHC nicht als Wiederholung, sondern als festigender Beweis ihrer Existenz angesehen! Obwohl das Problem mit der Realität von Quarks nirgendwo verschwunden ist, weil sie einfach sind kann nicht herausgegriffen werden von Hadronen.

Welche Pläne?

Die Hauptaufgabe, eine "Theorie von allem" zu erstellen, wurde nicht gelöst, sondern das theoretische Studium Optionen seine Manifestationen sind im Gange. Bisher eines der Probleme der Vereinigung Allgemeine Theorie Relativitätstheorie und das Standardmodell bleiben bestehen anderen Bereich ihre Handlungen, bei denen der zweite die Merkmale des ersten nicht berücksichtigt. Daher ist es wichtig, über das Standardmodell hinauszugehen und den Rand zu erreichen neue Physik.

Supersymmetrie - Wissenschaftler glauben, dass es die bosonischen und fermionischen Quantenfelder so sehr verbindet, dass sie sich ineinander verwandeln können. Es ist diese Art der Umwandlung, die den Rahmen des Standardmodells sprengt, da es eine Theorie gibt, die der symmetrischen Abbildung von Quantenfeldern zugrunde liegt Gravitonen. Sie können jeweils ein Elementarteilchen der Gravitation sein.

Boson Madala- Die Hypothese der Existenz des Madala-Bosons legt nahe, 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. Trotz der Tatsache, dass es einen großen Teil des Universums einnimmt, ist seine Existenz nicht im Rahmen des Standardmodells enthalten.

Mikroskopisches Schwarzes Loch Eine der Forschungsarbeiten des LHC ist die Schaffung eines Schwarzen Lochs. Ja, ja, genau dieser schwarze, alles verzehrende Bereich im Weltall. Glücklicherweise wurden in dieser Richtung keine nennenswerten Fortschritte erzielt.

Heute ist der Large Hadron Collider ein multifunktionales Forschungszentrum, auf dessen Grundlage Theorien erstellt und experimentell bestätigt werden, die uns helfen werden, den Aufbau der Welt besser zu verstehen. Wellen der Kritik erheben sich oft um eine Reihe laufender Studien, die als gefährlich eingestuft werden, darunter auch von Stephen Hawking, aber das Spiel ist definitiv die Kerze wert. Wir werden nicht in der Lage sein, im schwarzen Ozean namens Universum mit einem Kapitän zu segeln, der keine Karten, keinen Kompass und keine Grundkenntnisse der Welt um uns herum hat.

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Der abgekürzte LHC (Large Hadron Collider, abgekürzt als LHC) ist ein Beschleuniger für geladene Teilchen in kollidierenden Strahlen, der entwickelt wurde, um 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 Versuchsanlage der Welt. Mehr als 10.000 Wissenschaftler und Ingenieure aus mehr als 100 Ländern haben teilgenommen und beteiligen sich an Konstruktion und Forschung.

Groß wird er wegen seiner Größe genannt: Der Hauptring des Beschleunigers ist 26.659 m lang; hadronisch - aufgrund der Tatsache, dass es Hadronen beschleunigt, dh schwere Teilchen, die aus Quarks bestehen; Collider (englisch Collider - Collider) - aufgrund der Tatsache, dass Teilchenstrahlen in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden und an speziellen Kollisionspunkten kollidieren.

Spezifikationen

Der Beschleuniger soll Protonen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV (also 14 Teraelektronenvolt oder 14 1012 Elektronenvolt) im Schwerpunktsystem der einfallenden Teilchen sowie Bleikerne mit einer Energie von 5 GeV (5 109 Elektronenvolt) für jedes Paar kollidierender Nukleonen. Bereits Anfang 2010 hatte der LHC den bisherigen Champion in Sachen Protonenenergie – den Proton-Antiproton-Beschleuniger Tevatron, der bis Ende 2011 am National Accelerator Laboratory arbeitete – etwas übertroffen. Enrico Fermi (USA). Obwohl sich die Anpassung der Ausrüstung über Jahre hinzieht und noch nicht abgeschlossen ist, ist der LHC bereits heute der energiereichste Teilchenbeschleuniger der Welt und übertrifft andere Beschleuniger um eine Größenordnung, einschließlich des relativistischen Schwerions RHIC Collider, der am Brookhaven Laboratory (USA) betrieben wird. ).

Die Leuchtkraft des LHC betrug in den ersten Wochen des Laufs nicht mehr als 1029 Teilchen/cm 2 s, steigt aber stetig weiter an. Ziel ist es, eine nominelle Leuchtkraft von 1,7·1034 Partikel/cm 2 s zu erreichen, was in der gleichen Größenordnung liegt wie die Leuchtstärken von BaBar (SLAC, USA) und Belle (Englisch) (KEK, Japan).

Der Beschleuniger befindet sich in demselben Tunnel, in dem sich früher der Large Electron-Positron Collider befand. Der Tunnel mit einem Umfang von 26,7 km wurde in Frankreich und der Schweiz unterirdisch verlegt. Die Tiefe des Tunnels beträgt 50 bis 175 Meter, und der Tunnelring ist gegenüber dem Boden um etwa 1,4 % geneigt. Um Protonenstrahlen zu halten, zu korrigieren und zu fokussieren, 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 Suprafluidtemperatur von Helium liegt.

LHC-Detektoren

Der LHC hat 4 Haupt- und 3 Hilfsdetektoren:

• ALICE (Ein Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (ein toroidaler LHC-Apparat)
• CMS (Compact Myon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider Schönheitsexperiment)
• TOTEM (TOTal Elastische und diffraktive Querschnittsmessung)
• LHCf (The Large Hadron Collider vorwärts)
• MoEDAL (Monopol- und Exotendetektor am LHC).

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

Die ATLAS- und CMS-Detektoren sind universelle Detektoren, die für die Suche nach dem Higgs-Boson und "Nicht-Standard-Physik" entwickelt wurden, insbesondere dunkle Materie, ALICE - um Quark-Gluon-Plasma bei schweren Bleiionenkollisionen zu untersuchen, LHCb - um die Physik zu untersuchen von b-Quarks, die es ermöglichen, die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie besser zu verstehen, soll TOTEM die Streuung von Teilchen bei kleinen Winkeln untersuchen, wie sie bei engen Spannweiten ohne Kollisionen auftritt (die sogenannten nicht kollidierenden Teilchen, vorwärts Partikel), mit dem Sie die Größe von Protonen genauer messen und die Leuchtkraft des Colliders steuern können, und schließlich LHCf - für die Untersuchung kosmischer Strahlen, die mit denselben nicht kollidierenden Partikeln modelliert werden.

Der siebte Detektor (Experiment) MoEDAL, der auf die Suche nach sich langsam bewegenden schweren Teilchen ausgelegt ist, ist ebenfalls mit dem Betrieb des LHC verbunden.

Beim Betrieb des Colliders werden an allen vier Schnittpunkten der Strahlen gleichzeitig Kollisionen durchgeführt, unabhängig von der Art der beschleunigten Teilchen (Protonen oder Kerne). Gleichzeitig sammeln alle Detektoren gleichzeitig Statistiken.

Beschleunigung von Teilchen in einem Collider

Die Geschwindigkeit von Teilchen im LHC bei kollidierenden Strahlen ist nahe der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Beschleunigung von Teilchen auf solch hohe Energien erfolgt in mehreren Stufen. In der ersten Stufe injizieren Niedrigenergie-Linearbeschleuniger Linac 2 und Linac 3 Protonen und Bleiionen zur weiteren Beschleunigung. Dann treten die Teilchen in den PS-Booster und dann in das PS (Protonen-Synchrotron) selbst ein und erhalten eine Energie von 28 GeV. Mit dieser Energie bewegen sie sich bereits mit Lichtgeschwindigkeit. Danach setzt sich die Teilchenbeschleunigung im SPS (Proton Super Synchrotron) fort, wo die Teilchenenergie 450 GeV erreicht. Dann wird das Protonenbündel zum 26,7 Kilometer langen Hauptring geschickt, wodurch die Energie der Protonen auf maximal 7 TeV gebracht wird, und an den Kollisionspunkten zeichnen die Detektoren die auftretenden Ereignisse auf. Zwei kollidierende Protonenstrahlen können, wenn sie vollständig gefüllt sind, jeweils 2808 Bündel enthalten. Auf der frühe Stufen Debugging des Beschleunigungsprozesses zirkulieren nur ein Bündel in einem Strahl mehrere Zentimeter lang und von geringer Quergröße. Dann beginnen sie, die Anzahl der Gerinnsel zu erhöhen. Die Cluster befinden sich in festen Positionen relativ zueinander, die sich synchron entlang des Rings bewegen. An vier Punkten des Rings, an denen sich die Teilchendetektoren befinden, können die Cluster in einer bestimmten Reihenfolge kollidieren.

Die kinetische Energie aller Hadronenpakete im vollständig gefüllten LHC ist vergleichbar mit der kinetischen Energie eines Düsenflugzeugs, obwohl die Masse aller Teilchen ein Nanogramm nicht übersteigt und sie nicht einmal mit bloßem Auge sichtbar sind. Diese Energie wird aufgrund der Geschwindigkeit von Teilchen nahe der Lichtgeschwindigkeit erreicht.

Gerinnsel passieren voller Kreis Beschleuniger schneller als 0,0001 Sek. und macht somit mehr als 10.000 Umdrehungen pro Sekunde

Ziele und Ziele 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 „sondieren“. Bis heute haben sich bereits viele indirekte Beweise dafür angesammelt, dass Physiker in dieser Größenordnung eine bestimmte „neue Schicht der Realität“ erschließen sollten, deren Studium Antworten auf viele Fragen der grundlegenden Physik liefern wird. Was genau diese Ebene der Realität sein 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 tatsächlich in der Natur verwirklicht wird.

Suche nach neuer Physik Das Standardmodell kann nicht als die ultimative Theorie der Elementarteilchen angesehen werden. Es muss Teil einer tieferen Theorie der Struktur der Mikrowelt sein, dem Teil, der in Collider-Experimenten bei Energien unter etwa 1 TeV sichtbar ist. Solche Theorien werden zusammenfassend als „Neue Physik“ oder „Jenseits des Standardmodells“ bezeichnet. Die Hauptaufgabe des Large Hadron Collider besteht darin, zumindest die ersten Hinweise darauf zu erhalten, was diese tiefere Theorie ist. Um grundlegende Wechselwirkungen in einer Theorie weiter zu vereinen, werden verschiedene Ansätze verwendet: Stringtheorie, die in der M-Theorie (Brane-Theorie) entwickelt wurde, Supergravitationstheorie, Schleifenquantengravitation usw. Einige von ihnen haben interne Probleme, und keiner von ihnen hat experimentelle Bestätigung. Das Problem: Um die entsprechenden Experimente durchzuführen, werden Energien benötigt, die an modernen Teilchenbeschleunigern nicht erreichbar sind. Der LHC wird Experimente ermöglichen, die zuvor unmöglich waren, und wahrscheinlich einige dieser Theorien bestätigen oder widerlegen. So gibt es eine ganze Reihe physikalischer Theorien mit Dimensionen größer als vier, die auf die Existenz von „Supersymmetrie“ hindeuten – zum Beispiel die Stringtheorie, die manchmal gerade deshalb als Superstringtheorie bezeichnet wird, weil sie ohne Supersymmetrie verliert physikalische Bedeutung . Die Bestätigung der Existenz von Supersymmetrie wäre somit eine indirekte Bestätigung der Wahrheit dieser Theorien. Untersuchung von Top-Quarks Das Top-Quark ist das schwerste Quark und außerdem das schwerste bisher entdeckte Elementarteilchen. Nach den neuesten Ergebnissen des Tevatron beträgt seine Masse 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Wegen seiner großen Masse wurde das Top-Quark bisher nur an einem Beschleuniger, dem Tevatron, beobachtet, anderen Beschleunigern fehlte einfach die Energie, um es zu erzeugen. Darüber hinaus sind Top-Quarks für Physiker nicht nur an sich interessant, sondern auch als „Arbeitswerkzeug“ für die Untersuchung des Higgs-Bosons. Einer der wichtigsten Kanäle für die Produktion des Higgs-Bosons am LHC ist die assoziative Produktion zusammen mit dem 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 vorhergesagt hatte. Das Higgs-Boson ist ein Quant 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/c2). Tatsächlich interessieren sich die Physiker nicht so sehr für das Higgs-Boson selbst, sondern für den Higgs-Mechanismus der Symmetriebrechung der elektroschwachen Wechselwirkung. Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma Es wird erwartet, dass etwa ein Monat pro Jahr im Beschleuniger im Modus von nuklearen Kollisionen verbracht wird. In diesem Monat wird der Collider beschleunigen und in Detektoren kollidieren, nicht Protonen, sondern Bleikerne. Bei einer inelastischen Kollision zweier Kerne mit ultrarelativistischer Geschwindigkeit 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 des Quark-Gluon-Plasmas und dessen Abkühlung) ist notwendig, um eine perfektere Theorie starker Wechselwirkungen zu konstruieren, die sowohl für die Kernphysik als auch für die Astrophysik nützlich sein wird. Die Suche nach Supersymmetrie Die erste bedeutende wissenschaftliche Errungenschaft der Experimente am LHC könnte der Beweis oder die Widerlegung der „Supersymmetrie“ sein – der Theorie, dass jedes Elementarteilchen einen viel schwereren Partner oder „Superteilchen“ hat. Untersuchung von Photon-Hadron- und Photon-Photon-Kollisionen Die elektromagnetische Wechselwirkung von Teilchen wird als Austausch von (teilweise virtuellen) Photonen beschrieben. Mit anderen Worten, Photonen sind Träger des elektromagnetischen Feldes. Protonen sind elektrisch geladen und von einem elektrostatischen Feld umgeben bzw. dieses Feld kann als Wolke virtueller Photonen betrachtet werden. Jedes Proton, insbesondere ein relativistisches Proton, enthält eine Wolke aus virtuellen Teilchen wie Bestandteil. Wenn Protonen miteinander kollidieren, interagieren auch die virtuellen Teilchen, die jedes der Protonen umgeben. Mathematisch wird der Prozess der Teilcheninteraktion durch eine lange Reihe von Korrekturen beschrieben, von denen jede die Wechselwirkung durch virtuelle Teilchen beschreibt bestimmten Typ(siehe: Feynman-Diagramme). Bei der Untersuchung der Kollision von Protonen wird also indirekt die Wechselwirkung von Materie mit hochenergetischen Photonen untersucht großes Interesse zum theoretische Physik. Eine spezielle Klasse von Reaktionen wird ebenfalls betrachtet - die direkte Wechselwirkung zweier Photonen, die sowohl mit einem entgegenkommenden Proton kollidieren können, was typische Photon-Hadron-Kollisionen erzeugt, als auch miteinander. In der Art der nuklearen Kollisionen aufgrund der großen elektrische Ladung noch wichtiger ist der Einfluss elektromagnetischer Prozesse. Prüfung exotischer Theorien Theoretiker des ausgehenden 20. Jahrhunderts stellten eine Vielzahl von Theorien auf ungewöhnliche Ideenüber den Aufbau der Welt, die zusammen als "exotische Modelle" bezeichnet werden. Dazu gehören Theorien mit starker Schwerkraft auf der Energieskala in der Größenordnung von 1 TeV, Modelle mit große Menge 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 machen können, planen die 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 von Theoretikern einschränken und einige der vorgeschlagenen Konstruktionen schließen können. Sonstiges Es wird auch erwartet, dass physikalische Phänomene außerhalb des Rahmens des Standardmodells erkannt werden. Es ist geplant, die Eigenschaften von W- und Z-Bosonen, nukleare Wechselwirkungen bei superhohen Energien, die Prozesse der Produktion und des Zerfalls schwerer Quarks (b und t) zu untersuchen.

Vielleicht kennt die ganze Welt das großartigste wissenschaftliche Gebäude Europas - den Large Hadron Collider, der in der Nähe der Schweizer Stadt Genf gebaut wurde.

Vor dem Start gab es viele panische Gerüchte über den bevorstehenden Weltuntergang und dass die Installation der Schweizer Ökologie irreparablen Schaden zufügen würde. Aber die Jahre vergehen, der Collider funktioniert und die Welt bleibt dieselbe. Warum haben sie eine so riesige und teure Struktur gebaut? Finden wir es heraus.

Was ist der Large Hadron Collider?

Das Design des Large Hadron Collider oder LHC hat nichts Mystisches an sich. Dies ist nur ein Beschleuniger geladener Elementarteilchen, der notwendig ist, um schwere Teilchen zu dispergieren und die Produkte zu untersuchen, die entstehen, wenn sie mit anderen Teilchen kollidieren.

Weltweit gibt es mehr als ein Dutzend ähnlicher Anlagen, darunter russische Beschleuniger in Dubna bei Moskau und in Nowosibirsk. Der LHC wurde erstmals 2008 gestartet, arbeitete aber aufgrund eines baldigen Unfalls lange Zeit mit geringer Energiekapazität, und erst seit 2015 ist es möglich, die Anlage mit Auslegungskapazitäten zu betreiben.

Wie fast alle derartigen Anlagen ist der LHC ein ringförmig verlegter 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, eine mit kleinerem, die andere mit größerem Durchmesser. Die Länge des großen Tunnels übertrifft die Größe aller anderen heute existierenden Beschleuniger und beträgt 25,5 Kilometer, weshalb der Collider Big genannt wurde.

Warum wird der Collider gebaut?

Moderne Physiker gelang es, ein theoretisches Modell zu entwickeln, das drei der vier grundlegenden Wechselwirkungen kombiniert und als Standardmodell (SM) bezeichnet wird. Als umfassende Theorie des Aufbaus der Welt kann sie jedoch noch nicht betrachtet werden, da das Gebiet, das von Wissenschaftlern als Theorie der Quantengravitation bezeichnet wird und die gravitative Wechselwirkung beschreibt, praktisch unerforscht ist. Die Hauptrolle 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 - den sogenannten Elementarteilchen, die Hadronen bilden (wegen ihnen wird der Collider Hadron genannt).

Wie funktioniert die BAK?

Wie bereits erwähnt, ist der LHC ein runder Tunnel, der aus Haupt- und Nebenring besteht. Die Wände des Tunnels bestehen aus vielen starken Elektromagneten, die ein Feld erzeugen, das Mikropartikel beschleunigt. Die anfängliche Beschleunigung findet im Hilfstunnel statt, aber im Hauptring erreichen die Teilchen die nötige Geschwindigkeit, woraufhin die auf sie zustürmenden Teilchen kollidieren und das Ergebnis ihrer Kollision von hochempfindlichen Geräten aufgezeichnet wird.

Als Ergebnis zahlreicher Experimente gab die Leitung des CERN (European Council for Nuclear Research) im Juli 2012 bekannt, dass die Experimente den Nachweis des Higgs-Bosons ermöglichten. Derzeit wird die Untersuchung dieses Phänomens fortgesetzt, da viele seiner Eigenschaften von den theoretisch vorhergesagten abweichen.

Warum brauchen Menschen einen BAC?

Die Kosten für den Bau des LHC beliefen sich verschiedenen Quellen zufolge auf mehr als 6 Milliarden US-Dollar. Noch beeindruckender wird die Summe, wenn man die jährlichen Betriebskosten der Anlage betrachtet. Warum müssen Sie so erhebliche Kosten tragen, welche Vorteile bringt der Collider? gewöhnliche Menschen?

Geplante und bereits laufende Forschungsarbeiten am LHC könnten den Menschen in Zukunft den Zugang zu billiger Energie eröffnen, die buchstäblich aus dem Nichts gewonnen werden kann. Dies wird vielleicht die ehrgeizigste wissenschaftliche und technologische Revolution in der Geschichte der Menschheit sein. Darüber hinaus können Menschen durch das Verständnis des Mechanismus des Higgs-Bosons Macht über eine Kraft erlangen, die bisher völlig außerhalb der Kontrolle des Menschen liegt - über die Schwerkraft.


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