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Como funciona o Grande Colisor de Hádrons

O acelerador LHC operará com base no efeito de supercondutividade, ou seja, a capacidade de certos materiais de conduzir eletricidade sem resistência ou perda de energia, geralmente em temperaturas muito baixas. Para manter o feixe de partículas na sua trajetória circular, são necessários campos magnéticos mais fortes do que os utilizados anteriormente em outros aceleradores do CERN.

O Large Hadron Collider, um acelerador de prótons construído na Suíça e na França, não tem análogos no mundo. Esta estrutura circular de 27 km de comprimento foi construída a uma profundidade de 100 metros.

Nele, usando 120 eletroímãs poderosos a uma temperatura próxima do zero absoluto - menos 271,3 graus Celsius, está planejado acelerar os feixes de prótons em colisão até perto da velocidade da luz (99,9 por cento).No entanto, em vários locais as suas rotas irão cruzar-se, o que permitirá a colisão dos protões. Vários milhares de ímãs supercondutores guiarão as partículas.Quando houver energia suficiente, as partículas colidirão, criando assim um modelo do Big Bang.Milhares de sensores registrarão o momento da colisão. As consequências das colisões de prótons se tornarão o principal tema do estudo do mundo. [ http://dipland.ru /Cybernetics/Large_andron_collider_92988]

Especificações

O acelerador deve colidir prótons com uma energia total de 14 TeV (ou seja, 14 tera elétron-volt ou 14·1012 elétronvolts) emsistema de centro de massa partículas incidentes, bem como núcleos liderar com uma energia de 5 GeV (5 109 elétron-volts) para cada par de colisões núcleons No início de 2010 O LHC já ultrapassou um pouco o recordista anterior em energia de prótons - o colisor próton-antipróton Tevatron , que até o final de 2011 trabalhou emLaboratório Nacional de Aceleradores. Enrico Fermi(EUA ). Apesar de a configuração do equipamento já estar em andamento há anos e ainda não ter sido concluída, o LHC já se tornou o acelerador de partículas de maior energia do mundo, superando em uma ordem de grandeza a energia de outros colisores, incluindo o Colisor Relativístico de Íons Pesados RHIC, operando em Laboratório Brookhaven(EUA).

Detectores

O LHC possui 4 detectores principais e 3 auxiliares:

· ALICE (Um experimento de grande colisor de íons)

ATLAS (um aparelho toroidal do LHC)

CMS (solenóide de múon compacto)

LHCb (O experimento de beleza do Large Hadron Collider)

TOTEM (Medição TOTal da seção transversal elástica e difrativa)

LHCf (O Grande Colisor de Hádrons à frente)

MoEDAL (Detector Monopolo e Exótico no LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb são grandes detectores localizados ao redor dos pontos de colisão do feixe. Os detectores TOTEM e LHCf são auxiliares, localizados a uma distância de várias dezenas de metros dos pontos de intersecção dos feixes ocupados pelos detectores CMS e ATLAS, respectivamente, e serão utilizados em conjunto com os principais.

Detector CMS

Os detectores ATLAS e CMS são detectores de uso geral projetados para procurar o bóson de Higgs e a “física não padrão” em particular. matéria escura , ALICE - para estudarplasma de quark-gluon em colisões de íons pesados ​​de chumbo, LHCb - para pesquisa físicab-quarks , o que nos permitirá compreender melhor as diferenças entre matéria e antimatéria , TOTEM - projetado para estudar o espalhamento de partículas em pequenos ângulos, como o que ocorre durante vôos próximos sem colisões (as chamadas partículas sem colisão, partículas diretas), o que permite medir com maior precisão o tamanho dos prótons, bem como controlar a luminosidade do colisor e, por fim, LHCf - para pesquisaraios cósmicos , modelado usando as mesmas partículas sem colisão.

Também associado ao trabalho do LHC está o sétimo, bastante insignificante em termos de orçamento e complexidade, detector (experimento) MoEDAL, projetado para procurar partículas pesadas em movimento lento.

Durante a operação do colisor, as colisões ocorrem simultaneamente em todos os quatro pontos de intersecção dos feixes, independentemente do tipo de partículas aceleradas (prótons ou núcleos). Neste caso, todos os detectores coletam estatísticas simultaneamente.

Consumo de energia

Durante a operação do colisor, o consumo estimado de energia será de 180 M C . Total estimado de consumo de energia CERN para 2009, considerando o colisor em operação - 1.000 GWh, dos quais 700 GWh serão contabilizados pelo acelerador. Esses custos de energia representam cerca de 10% do consumo anual total de energia Cantão de Genebra . O próprio CERN não produz energia, tendo apenas energia de reservageradores a diesel.[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]

Talvez, em alguns anos, a Internet dê lugar a uma integração nova e mais profunda de computadores remotos, permitindo não só a transferência remota de informações localizadas em diferentes partes do mundo, mas também a utilização automática de recursos computacionais remotos. Em conexão com o lançamento do Large Hadron Collider, o CERN tem trabalhado há vários anos para criar tal rede.

Há muito que é um facto clássico que a Internet (ou o que é referido como web) foi inventada na Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN). Ao redor da placa "A World Wide Web foi criada nestes corredores" em um dos corredores comuns de um edifício regular do CERN durante o dia portas abertas sempre há multidões de curiosos. Agora a Internet é utilizada para suas necessidades práticas por pessoas de todo o mundo, e inicialmente foi criada para que cientistas trabalhando no mesmo projeto, mas localizados em diferentes partes do planeta, pudessem se comunicar, compartilhar dados, publicar informações que poderiam ser acessados ​​para obter acesso remotamente.

Sistema GRID sendo desenvolvido no CERN (em grade inglesa - rede, rede) é mais um passo em frente, uma nova etapa na integração dos utilizadores de computadores.

Permite não só publicar dados que estão localizados em algum outro lugar do planeta, mas também utilizar recursos remotos da máquina sem sair do seu lugar.

É claro que os computadores comuns não desempenham um papel especial no fornecimento de poder computacional, portanto, o primeiro estágio da integração é a conexão dos centros mundiais de supercomputadores.

A criação deste sistema foi provocada pelo Grande Colisor de Hádrons. Embora o GRID já seja usado para uma série de outras tarefas, sem o colisor ele não existiria, e vice-versa, sem o GRID o processamento dos resultados do colisor é impossível.

As pessoas que trabalham em colaborações do LHC estão localizadas em diferentes partes do mundo. Sabe-se que não só os europeus estão trabalhando neste dispositivo, mas também todos os 20 países - participantes oficiais do CERN, cerca de 35 países no total. Teoricamente, para garantir o funcionamento do LHC, existia uma alternativa ao GRID - a expansão dos recursos computacionais próprios do centro de informática do CERN. Mas os recursos disponíveis no momento em que o problema foi colocado eram completamente insuficientes para simular o funcionamento do acelerador, armazenar informações de seus experimentos e processá-las cientificamente. Portanto, o centro de informática precisaria ser reconstruído e modernizado de forma muito significativa, adquirindo mais computadores e instalações de armazenamento de dados. Mas isto significaria que todo o financiamento estaria concentrado no CERN. Isto não era muito aceitável para países localizados longe do CERN. É claro que eles não estavam interessados ​​em patrocinar recursos que seriam muito difíceis de usar e estavam bastante inclinados a aumentar o seu potencial computacional e de máquinas. Portanto, nasceu a ideia de utilizar os recursos onde eles estão.

Não tente concentrar tudo em um só lugar, mas combine o que já existe em diferentes partes do planeta.

Há apenas alguns anos, eu não tinha ideia do que eram os colisores de hádrons, o bóson de Higgs, e por que milhares de cientistas em todo o mundo estavam trabalhando em um enorme campus de física na fronteira entre a Suíça e a França, enterrando bilhões de dólares no solo.
Então, para mim, como para muitos outros habitantes do planeta, a expressão Large Hadron Collider, o conhecimento sobre as partículas elementares que nele colidem à velocidade da luz e sobre um dos maiores descobertas mais recentemente - o bóson de Higgs.

E assim, em meados de junho, tive a oportunidade de ver com meus próprios olhos o que tantas pessoas estão falando e sobre o que existem tantos rumores conflitantes.
Esta não foi apenas uma pequena excursão, mas um dia inteiro passado no maior laboratório de física nuclear do mundo - o Cern. Aqui pudemos nos comunicar com os próprios físicos, ver muitas coisas interessantes neste campus científico, e descer ao Santo dos Santos - o Grande Colisor de Hádrons (mas quando for lançado e os testes estiverem sendo realizados nele , qualquer acesso externo é impossível), visitar a fábrica de produção de ímãs gigantes para o colisor, o centro Atlas, onde os cientistas analisam os dados obtidos no colisor, visitar secretamente o mais novo colisor linear em construção e ainda, quase como em uma missão, praticamente caminhe caminho espinhoso partícula elementar, do fim ao começo. E veja onde tudo começa...
Mas sobre tudo isso em posts separados. Hoje é apenas o Grande Colisor de Hádrons.
Se isso puder ser chamado de forma simples, meu cérebro se recusa a entender COMO tal coisa poderia ser inventada e depois construída.

2. Há muitos anos, esta imagem tornou-se mundialmente famosa. Muitos acreditam que este é o Grande Hádron em seção. Na verdade, este é um corte transversal de um dos maiores detectores - CMS. Seu diâmetro é de cerca de 15 metros. Este não é o maior detector. O diâmetro do Atlas é de cerca de 22 metros.

3. Para entender aproximadamente o que é e qual o tamanho do colisor, vejamos o mapa de satélite.
Este é um subúrbio de Genebra, muito perto do Lago Genebra. É aqui que fica o enorme campus do CERN, sobre o qual falarei separadamente um pouco mais tarde, e há vários colisores localizados no subsolo em várias profundidades. Sim Sim. Ele não está sozinho. Existem dez deles. O Grande Hádron simplesmente coroa essa estrutura, falando figurativamente, completando a cadeia de colisores através dos quais as partículas elementares são aceleradas. Também falarei sobre isso separadamente, acompanhando a partícula do Grande (LHC) até o primeiro Linac linear.
O diâmetro do anel do LHC é de quase 27 quilómetros e situa-se a uma profundidade de pouco mais de 100 metros (o maior anel da imagem).
O LHC possui quatro detectores - Alice, Atlas, LHCb e CMS. Descemos até o detector CMS.

4. Além destes quatro detectores, o resto do espaço subterrâneo é um túnel no qual existe uma entranha contínua de segmentos azuis como estes. Estes são ímãs. Ímãs gigantes nos quais é criado um campo magnético louco, no qual as partículas elementares se movem à velocidade da luz.
Existem 1.734 deles no total.

5. Dentro do ímã fica assim estrutura complexa. Há de tudo aqui, mas o mais importante são dois tubos ocos por dentro, por onde voam feixes de prótons.
Em quatro locais (nesses mesmos detectores) estes tubos se cruzam e feixes de prótons colidem. Nos locais onde colidem, os prótons se espalham em várias partículas, que são detectadas por detectores.
Isto é para falar brevemente sobre o que é esse absurdo e como funciona.

6. Então, 14 de junho, manhã, CERN. Chegamos a uma cerca discreta com portão e uma pequena construção no território.
Esta é a entrada de um dos quatro detectores do Large Hadron Collider - CMS.
Aqui quero parar um pouco para falar como conseguimos chegar até aqui e graças a quem.
E a culpa é toda de Andrey, nosso homem que trabalha no CERN, e graças a quem nossa visita não foi uma excursão curta e chata, mas incrivelmente interessante e repleta de uma enorme quantidade de informações.
Andrey (ele de camiseta verde) não se importa com convidados e fica sempre feliz em facilitar uma visita a esta Meca da física nuclear.
Você sabe o que é interessante? Este é o modo de rendimento no Collider e no CERN em geral.
Sim, tudo é feito com cartão magnético, mas... um funcionário com seu passe tem acesso a 95% do território e instalações.
E apenas aqueles com um nível aumentado perigo de radiação, você precisa de acesso especial - dentro do próprio colisor.
E assim, os funcionários circulam pelo território sem problemas.
Por um momento, bilhões de dólares e muitos equipamentos incríveis foram investidos aqui.
E então me lembro de alguns objetos abandonados na Crimeia, onde tudo está cortado há muito tempo, mas, mesmo assim, tudo é megasecreto, em hipótese alguma você pode ser filmado, e o objeto é sabe-se lá o que estratégico.
Acontece que as pessoas aqui pensam adequadamente com a cabeça.

7. Esta é a aparência do território CMS. Nenhuma decoração exterior exibicionista ou supercarros no estacionamento. Mas eles podem pagar. Simplesmente não há necessidade.

8. O CERN, como principal centro científico mundial no campo da física, utiliza diversas direções diferentes em termos de RP. Uma delas é a chamada “Árvore”.
No seu âmbito, convidamos professores de escola em física de países diferentes e cidades. Eles são mostrados e contados aqui. Em seguida, os professores voltam para suas escolas e contam aos alunos o que viram. Um certo número de estudantes, inspirados pela história, começam a estudar física com grande interesse, depois vão para as universidades para se formar em física e, no futuro, talvez até acabem trabalhando aqui.
Mas enquanto as crianças ainda estão na escola, também têm a oportunidade de visitar o CERN e, claro, descer ao Grande Colisor de Hádrons.
Várias vezes por mês, são realizados aqui “dias abertos” especiais para crianças superdotadas de diferentes países que amam a física.
Eles são selecionados pelos próprios professores que estavam na base desta árvore e submetem propostas ao escritório do CERN na Suíça.
Coincidentemente, no dia em que viemos ver o Grande Colisor de Hádrons, veio aqui um desses grupos da Ucrânia - crianças, alunos da Pequena Academia de Ciências, que haviam passado por uma difícil competição. Junto com eles, descemos a uma profundidade de 100 metros, bem no coração do Collider.

9. Glória com nossos distintivos.
Itens obrigatórios para os físicos que trabalham aqui são capacete com lanterna e botas com placa de metal na ponta (para proteger os dedos dos pés em caso de queda de carga)

10. Crianças superdotadas e apaixonadas por física. Em poucos minutos, seus lugares se tornarão realidade - eles descerão para o Grande Colisor de Hádrons

11. Os trabalhadores jogam dominó enquanto relaxam antes do próximo turno no subsolo.

12. Centro de controle e gerenciamento CMS. Os dados primários dos principais sensores que caracterizam o funcionamento do sistema fluem aqui.
Quando o colisor está operando, uma equipe de 8 pessoas trabalha aqui 24 horas por dia.

13. Deve-se dizer que em atualmente O Large Hadron está desligado há dois anos para realizar um programa de reparos e modernização do colisor.
O fato é que há 4 anos ocorreu um acidente, depois do qual o colisor nunca mais funcionou. poder total(Falarei sobre o acidente no próximo post).
Após a modernização, que será concluída em 2014, deverá operar com potência ainda maior.
Se o colisor estivesse funcionando agora, definitivamente não poderíamos visitá-lo

14. Utilizando um elevador técnico especial, descemos até uma profundidade de mais de 100 metros, onde está localizado o Collider.
O elevador é o único meio de resgate de pessoal em caso de emergência, porque... não há escadas aqui. Ou seja, este é o local mais seguro do CMS.
De acordo com as instruções, em caso de alarme, todo o pessoal deverá dirigir-se imediatamente ao elevador.
Aqui é criada pressão excessiva para que, em caso de fumaça, a fumaça não entre e as pessoas não sejam envenenadas.

15. Boris está preocupado por não haver fumaça.

16. Em profundidade. Tudo aqui está permeado de comunicações.

17. Quilômetros infinitos de fios e cabos para transmissão de dados

18. Há um grande número de canos aqui. A chamada criogenia. O fato é que o hélio é utilizado dentro dos ímãs para resfriamento. O resfriamento de outros sistemas, bem como do sistema hidráulico, também é necessário.

19. Nas salas de processamento de dados localizadas no detector existe um grande número de servidores.
Eles são combinados nos chamados gatilhos de desempenho incríveis.
Por exemplo, o primeiro gatilho em 3 milissegundos de 40.000.000 eventos deve selecionar cerca de 400 e transferi-los para o segundo gatilho - o nível mais alto.

20. Loucura de fibra óptica.
As salas de computadores estão localizadas acima do detector, porque Há um campo magnético muito pequeno aqui, que não interfere na operação da eletrônica.
Não seria possível coletar dados no próprio detector.

21. Gatilho global. Consiste em 200 computadores

22. Que tipo de Apple existe? Della!!!

23. Os gabinetes dos servidores estão trancados com segurança

24. Um desenho engraçado em um dos locais de trabalho dos operadores.

25. No final de 2012, o Bóson de Higgs foi descoberto como resultado de uma experiência no Large Hadron Collider, e este evento foi amplamente comemorado pelos trabalhadores do CERN.
As garrafas de champanhe não foram jogadas fora após a comemoração de propósito, acreditando que este era apenas o começo de grandes coisas

26. Ao se aproximar do próprio detector, há sinais por toda parte alertando sobre os perigos da radiação

26. Todos os colaboradores da Collider possuem dosímetros pessoais, os quais são obrigados a levar até o aparelho de leitura e registrar sua localização.
O dosímetro acumula o nível de radiação e, caso se aproxime da dose limite, informa o funcionário, além de transmitir dados online para a estação de controle, avisando que há uma pessoa próxima ao colisor que está em perigo

27. Bem na frente do detector está um sistema de acesso de nível superior.
Você pode fazer login anexando um cartão pessoal, um dosímetro e fazendo uma varredura de retina

28. O que eu faço

29. E aqui está - o detector. A pequena ponta interna é algo semelhante a um mandril de perfuração, que abriga aqueles enormes ímãs que agora pareceriam muito pequenos. No momento não há ímãs, porque... passando por modernização

30. Em condições de funcionamento, o detector está conectado e parece uma única unidade

31. O peso do detector é de 15 mil toneladas. Um campo magnético incrível é criado aqui.

32. Compare o tamanho do detector com as pessoas e equipamentos que trabalham abaixo

33. Cabos azuis - alimentação, vermelhos - dados

34. Curiosamente, durante a operação, o Big Hadron consome 180 megawatts de eletricidade por hora.

35. Trabalho de manutenção de rotina do sensor

36. Numerosos sensores

37. E energia para eles... a fibra óptica volta

38. A aparência de uma pessoa incrivelmente inteligente.

39. Uma hora e meia abaixo do solo voa como cinco minutos... Tendo subido de volta à terra mortal, você involuntariamente se pergunta... COMO isso pode ser feito.
E POR QUE eles fazem isso….

O Grande Colisor de Hádrons é chamado de "máquina Apocalipse", ou a chave do segredo do Universo, mas seu significado não está em dúvida.

Como disse certa vez o famoso pensador britânico Bertrand Russell: “filosofia é o que você sabe, filosofia é o que você não sabe”. Parece que é verdade conhecimento científico há muito tempo se separou de suas origens, o que pode ser encontrado na pesquisa filosófica Grécia antiga, mas não é assim.

Ao longo do século XX, os cientistas tentaram encontrar na ciência uma resposta para a questão da estrutura do mundo. Esse processo foi semelhante à busca pelo sentido da vida: um grande número de teorias, suposições e até ideias malucas. A que conclusões chegaram os cientistas? início do XXI século?

O mundo inteiro é feito de partículas elementares, que representam as formas finais de todas as coisas, ou seja, aquilo que não pode ser dividido em elementos menores. Isso inclui prótons, elétrons, nêutrons e assim por diante. Essas partículas estão em constante interação umas com as outras. No início do nosso século, expressava-se em 4 tipos fundamentais: gravitacional, eletromagnético, forte e fraco. O primeiro é descrito pela Teoria Geral da Relatividade, os outros três são combinados no âmbito do Modelo Padrão (teoria quântica). Também foi sugerido que havia outra interação, mais tarde chamada de campo de Higgs.

Gradualmente, a ideia de unir todas as interações fundamentais no âmbito de “ teorias de tudo", que inicialmente foi percebido como uma piada, mas rapidamente se tornou um poderoso direção científica. Por que isso é necessário? É simples! Sem compreender como o mundo funciona, somos como formigas num ninho artificial – não iremos além das nossas capacidades. O conhecimento humano não pode (bem, ou Tchau não pode, se formos optimistas) abranger toda a estrutura do mundo.

Uma das teorias mais famosas que afirmam “abraçar tudo” é considerada teoria das cordas. Isso implica que todo o Universo e nossas vidas são multidimensionais. Apesar do desenvolvido parte teórica e com o apoio de físicos famosos como Brian Greene e Stephen Hawking, não tem confirmação experimental.

Os cientistas, décadas depois, cansaram-se de transmitir nas arquibancadas e decidiram construir algo que deveria pontuar os i’s de uma vez por todas. Para tanto, foi criada a maior instalação experimental do mundo - Grande Colisor de Hádrons (LHC).

"Para o colisor!"

O que é um colisor? Se conversarmos linguagem científica, então este é um acelerador de partículas carregadas projetado para acelerar partículas elementares para uma melhor compreensão de sua interação. Em termos não científicos, é uma grande arena (ou caixa de areia, se preferir) na qual os cientistas lutam para confirmar as suas teorias.

A ideia de colidir partículas elementares e ver o que acontece veio pela primeira vez do físico americano Donald William Kerst em 1956. Ele sugeriu que graças a isso os cientistas seriam capazes de penetrar nos segredos do Universo. Parece que o que há de errado em colidir dois feixes de prótons com uma energia total um milhão de vezes maior que a da fusão termonuclear? Os tempos eram apropriados: a Guerra Fria, a corrida armamentista e tudo mais.

História da criação do LHC

A ideia de criar um acelerador para produção e estudo de partículas carregadas surgiu no início da década de 1920, mas os primeiros protótipos foram criados apenas no início da década de 1930. Inicialmente, eram aceleradores lineares de alta tensão, ou seja, partículas carregadas moviam-se em linha reta. A versão em anel foi introduzida em 1931 nos EUA, após o que dispositivos semelhantes começaram a aparecer em vários países. países desenvolvidos- Grã-Bretanha, Suíça, URSS. Eles têm o nome ciclotrons, e posteriormente começou a ser usado ativamente para criar armas nucleares.

Deve-se notar que o custo de construção de um acelerador de partículas é incrivelmente alto. A Europa, que não desempenhou um papel primordial durante a Guerra Fria, confiou a sua criação Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (em russo frequentemente lido como CERN), que mais tarde assumiu a construção do LHC.

O CERN foi criado na sequência da preocupação global com a investigação nuclear nos EUA e na URSS, que poderia levar ao extermínio geral. Portanto, os cientistas decidiram unir forças e direcioná-las em uma direção pacífica. Em 1954, o CERN nasceu oficialmente.

Em 1983, sob os auspícios do CERN, foram descobertos os bósons W e Z, após o que a questão da descoberta dos bósons de Higgs tornou-se apenas uma questão de tempo. No mesmo ano, iniciaram-se os trabalhos de construção do Grande Colisor de Elétrons-Positrons (LEPC), que desempenhou um papel fundamental no estudo dos bósons descobertos. No entanto, mesmo assim ficou claro que a potência do dispositivo criado logo se revelaria insuficiente. E em 1984, foi tomada a decisão de construir o LHC, imediatamente após o desmantelamento do BEPK. Foi o que aconteceu em 2000.

A construção do LHC, iniciada em 2001, foi facilitada pelo facto de ter ocorrido no local do antigo BEPK, no vale do Lago Genebra. Em relação às questões de financiamento (em 1995 o custo foi estimado em 2,6 mil milhões de francos suíços, em 2001 ultrapassou os 4,6 mil milhões, em 2009 ascendeu a 6 mil milhões de dólares).

Sobre este momento O LHC está localizado em um túnel com 26,7 km de circunferência e atravessa os territórios de dois países europeus- França e Suíça. A profundidade do túnel varia de 50 a 175 metros. Deve-se notar também que a energia de colisão dos prótons no acelerador atinge 14 teraelétron-volts, o que é 20 vezes maior que os resultados alcançados com o BEPK.

“A curiosidade não é um vício, mas é uma coisa muito nojenta.”

O túnel de 27 quilômetros do colisor CERN está localizado a 100 metros abaixo do solo, perto de Genebra. Haverá enormes eletroímãs supercondutores aqui. À direita estão os carros de transporte. Juhanson/wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Por que é necessária esta “Máquina do Juízo Final” feita pelo homem? Os cientistas esperam ver o mundo como era imediatamente após o Big Bang, ou seja, no momento da formação da matéria.

Metas que os cientistas estabeleceram durante a construção do LHC:

1. Confirmação ou refutação do Modelo Padrão com o objetivo de criar ainda mais uma “teoria de tudo”.
2. Prova da existência do bóson de Higgs como partícula da quinta força fundamental. Segundo pesquisas teóricas, deveria influenciar as interações elétricas e fracas, quebrando sua simetria.
3. O estudo dos quarks, que são uma partícula fundamental 20 mil vezes menor que os prótons que os compõem.
4. Obtenção e estudo da matéria escura, que constitui a maior parte do Universo.

Estes estão longe de ser os únicos objetivos atribuídos pelos cientistas ao LHC, mas os restantes são mais relacionados ou puramente teóricos.

O que você conseguiu?

Sem dúvida, a maior e mais significativa conquista foi a confirmação oficial da existência Bóson de Higgs. A descoberta da quinta interação (campo de Higgs), que, segundo os cientistas, afeta a aquisição de massa de todas as partículas elementares. Acredita-se que quando a simetria é quebrada durante a influência do campo de Higgs em outros campos, os bósons W e Z tornam-se massivos. A descoberta do bóson de Higgs é tão significativa que vários cientistas deram-lhe o nome de “partículas divinas”.

Os quarks se combinam em partículas (prótons, nêutrons e outros), que são chamadas hádrons. São eles que aceleram e colidem no LHC, daí o seu nome. Durante a operação do colisor, ficou provado que é simplesmente impossível separar um quark de um hádron. Se você tentar fazer isso, você simplesmente arrancará outro tipo de partícula elementar, por exemplo, de um próton - méson. Apesar de este ser apenas um dos hádrons e não conter nada de novo, um estudo mais aprofundado da interação dos quarks deve ser realizado em pequenos passos. Ao pesquisar as leis fundamentais do funcionamento do Universo, a pressa é perigosa.

Embora os próprios quarks não tenham sido descobertos durante o uso do LHC, a sua existência foi, até certo ponto, percebida como uma abstração matemática. As primeiras partículas desse tipo foram encontradas em 1968, mas somente em 1995 a existência de um “quark verdadeiro” foi oficialmente comprovada. Os resultados experimentais são confirmados pela capacidade de reproduzi-los. Portanto, a obtenção de resultado semelhante pelo LHC é percebida não como uma repetição, mas como uma prova solidária de sua existência! Embora o problema com a realidade dos quarks não tenha desaparecido em lugar nenhum, porque eles são simplesmente não pode ser selecionado dos hádrons.

Quais são seus planos?

A principal tarefa de criar uma “teoria de tudo” não foi resolvida, mas sim a elaboração teórica opções possíveis suas manifestações estão em andamento. Até agora, um dos problemas da unificação Teoria geral a relatividade e o Modelo Padrão permanecem área diferente suas ações e, portanto, o segundo não leva em conta as características do primeiro. Portanto, é importante ir além do Modelo Padrão e chegar ao limite Nova física.

Supersimetria – os cientistas acreditam que ele conecta campos quânticos bosônicos e fermiônicos, tanto que eles podem se transformar um no outro. É esse tipo de conversão que vai além do Modelo Padrão, pois existe uma teoria de que o mapeamento simétrico de campos quânticos é baseado em grávitons. Eles, portanto, podem ser uma partícula elementar da gravidade.

Bóson de Madala– a hipótese sobre a existência do bóson de Madala pressupõe que exista outro campo. Somente se o bóson de Higgs interagir com partículas e matéria conhecidas, então o bóson de Madala interagirá com matéria escura. Apesar de ocupar a maior parte do Universo, a sua existência não está incluída no modelo padrão.

Buraco negro microscópico - Uma das pesquisas do LHC é criar um buraco negro. Sim, sim, exatamente aquela região negra e consumidora do espaço sideral. Felizmente, nenhuma conquista significativa foi alcançada nessa direção.

Hoje, o Large Hadron Collider é um centro de pesquisa multifuncional, a partir do qual são criadas e confirmadas experimentalmente teorias que nos ajudarão a compreender melhor a estrutura do mundo. Muitas vezes há ondas de críticas em torno de uma série de estudos em andamento que são considerados perigosos, inclusive de Stephen Hawking, mas o jogo definitivamente vale a pena. Não podemos navegar no oceano negro chamado Universo com um capitão que não tem mapa, nem bússola, nem conhecimento básico do mundo que nos rodeia.

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Abreviado LHC (Large Hadron Collider, abreviado como LHC) é um acelerador de partículas carregadas usando feixes de colisão, projetado para acelerar prótons e íons pesados ​​​​(íons de chumbo) e estudar os produtos de suas colisões. O colisor foi construído no CERN (Conselho Europeu de Pesquisa Nuclear), localizado perto de Genebra, na fronteira da Suíça e da França. O LHC é a maior instalação experimental do mundo. Mais de 10 mil cientistas e engenheiros de mais de 100 países participaram e participam de construções e pesquisas.

É denominado grande devido ao seu tamanho: o comprimento do anel do acelerador principal é de 26.659 m; hadrônico - pelo fato de acelerar hádrons, ou seja, partículas pesadas constituídas por quarks; colisor (eng. colisor - colisor) - devido ao fato de os feixes de partículas serem acelerados em direções opostas e colidirem em pontos de colisão especiais.

Especificações BAK

O acelerador deve colidir prótons com energia total de 14 TeV (ou seja, 14 teraelétron-volts ou 14·1012 elétronvolts) no sistema do centro de massa das partículas incidentes, bem como núcleos de chumbo com energia de 5 GeV (5·109 elétronvolts) para cada par de núcleons em colisão. No início de 2010, o LHC já havia ultrapassado ligeiramente o anterior recordista em energia de prótons - o colisor próton-antipróton Tevatron, que até o final de 2011 funcionava no Laboratório Nacional de Aceleradores. Enrico Fermi (EUA). Apesar de a configuração do equipamento já se arrasta há anos e ainda não foi concluída, o LHC já se tornou o acelerador de partículas de maior energia do mundo, superando em uma ordem de grandeza em energia outros colisores, incluindo o colisor relativístico de íons pesados ​​RHIC, operando no Laboratório Brookhaven (EUA).

A luminosidade do LHC durante as primeiras semanas de funcionamento não foi superior a 1.029 partículas/cm 2 s, no entanto, continua a aumentar constantemente. O objetivo é atingir uma luminosidade nominal de 1,7 × 1034 partículas/cm 2 s, que é a mesma ordem de grandeza das luminosidades de BaBar (SLAC, EUA) e Belle (KEK, Japão).

O acelerador está localizado no mesmo túnel anteriormente ocupado pelo Grande Colisor de Elétrons-Positrons. O túnel com uma circunferência de 26,7 km é subterrâneo na França e na Suíça. A profundidade do túnel é de 50 a 175 metros, e o anel do túnel está inclinado em aproximadamente 1,4% em relação à superfície da terra. Para segurar, corrigir e focar feixes de prótons, são utilizados 1.624 ímãs supercondutores, cujo comprimento total ultrapassa 22 km. Os ímãs operam a uma temperatura de 1,9 K (-271 °C), ligeiramente abaixo da temperatura na qual o hélio se torna superfluido.

Detectores BAK

O LHC possui 4 detectores principais e 3 auxiliares:

• ALICE (um experimento de grande colisor de íons)
• ATLAS (um aparelho toroidal do LHC)
• CMS (solenóide de múon compacto)
• LHCb (experiência de beleza do Grande Colisor de Hádrons)
• TOTEM (medição TOTal de seção transversal elástica e difrativa)
• LHCf (Grande Colisor de Hádrons à frente)
• MoEDAL (detector monopolo e exótico no LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb são grandes detectores localizados ao redor dos pontos de colisão do feixe. Os detectores TOTEM e LHCf são auxiliares, localizados a uma distância de várias dezenas de metros dos pontos de intersecção dos feixes ocupados pelos detectores CMS e ATLAS, respectivamente, e serão utilizados em conjunto com os principais.

Os detectores ATLAS e CMS são detectores de uso geral projetados para procurar o bóson de Higgs e “física não padrão”, em particular matéria escura, ALICE - para estudar plasma de quark-gluon em colisões de íons pesados ​​de chumbo, LHCb - para estudar a física de b-quarks, que permitirão compreender melhor as diferenças entre matéria e antimatéria, o TOTEM foi projetado para estudar o espalhamento de partículas em pequenos ângulos, como o que ocorre durante vôos próximos sem colisões (as chamadas partículas não colidentes, para frente partículas), que permite medir com maior precisão o tamanho dos prótons, bem como controlar a luminosidade do colisor e, por fim, LHCf - para o estudo dos raios cósmicos, modelados a partir das mesmas partículas não colidentes.

Também associado ao trabalho do LHC está o sétimo, bastante insignificante em termos de orçamento e complexidade, detector (experimento) MoEDAL, projetado para procurar partículas pesadas em movimento lento.

Durante a operação do colisor, as colisões ocorrem simultaneamente em todos os quatro pontos de intersecção dos feixes, independentemente do tipo de partículas aceleradas (prótons ou núcleos). Neste caso, todos os detectores coletam estatísticas simultaneamente.

Aceleração de partículas em um colisor

A velocidade das partículas no LHC em feixes que colidem é próxima da velocidade da luz no vácuo. A aceleração das partículas a energias tão altas é alcançada em vários estágios. No primeiro estágio, os aceleradores lineares de baixa energia Linac 2 e Linac 3 injetam prótons e íons de chumbo para maior aceleração. As partículas então entram no booster PS e depois no próprio PS (síncrotron de prótons), adquirindo uma energia de 28 GeV. Com esta energia eles já estão se movendo a uma velocidade próxima à da luz. Depois disso, a aceleração das partículas continua no SPS (Super Synchrotron Proton Synchrotron), onde a energia das partículas atinge 450 GeV. O grupo de prótons é então direcionado para o anel principal de 26,7 quilômetros, elevando a energia do próton a um máximo de 7 TeV, e os detectores registram os eventos nos pontos de colisão. Dois feixes de prótons em colisão, quando totalmente preenchidos, podem conter 2.808 feixes cada. Sobre Estágios iniciais depuração do processo de aceleração, apenas um cacho circula em um feixe de vários centímetros de comprimento e de pequeno tamanho transversal. Então eles começam a aumentar o número de coágulos. Os cachos estão localizados em posições fixas entre si, que se movem de forma síncrona ao longo do anel. Aglomerados em uma determinada sequência podem colidir em quatro pontos do anel, onde estão localizados os detectores de partículas.

A energia cinética de todos os grupos de hádrons no LHC, quando completamente preenchido, é comparável à energia cinética de um avião a jato, embora a massa de todas as partículas não exceda um nanograma e nem possam ser vistas a olho nu. Essa energia é alcançada devido às velocidades das partículas próximas à velocidade da luz.

Coágulos passam círculo completo acelerador mais rápido que 0,0001 s, fazendo assim mais de 10 mil rotações por segundo

Metas e objetivos do LHC

A principal tarefa do Grande Colisor de Hádrons é descobrir a estrutura do nosso mundo a distâncias inferiores a 10-19 m, “sondando-o” com partículas com energia de vários TeV. Até agora, já se acumularam muitas evidências indiretas de que, nesta escala, os físicos deveriam descobrir uma certa “nova camada de realidade”, cujo estudo fornecerá respostas a muitas questões da física fundamental. O que exatamente será essa camada de realidade não é conhecido de antemão. Os teóricos, é claro, já propuseram centenas de fenômenos diversos que poderiam ser observados em energias de colisão de vários TeV, mas é o experimento que mostrará o que realmente é realizado na natureza.

A busca por uma Nova Física O Modelo Padrão não pode ser considerado a teoria definitiva das partículas elementares. Deve fazer parte de alguma teoria mais profunda da estrutura do micromundo, a parte que é visível em experimentos em colisores com energias abaixo de cerca de 1 TeV. Tais teorias são chamadas coletivamente de "Nova Física" ou "Além do Modelo Padrão". O principal objetivo do Grande Colisor de Hádrons é obter pelo menos as primeiras dicas do que é essa teoria mais profunda. Para unificar ainda mais as interações fundamentais em uma teoria, várias abordagens são usadas: teoria das cordas, que foi desenvolvida na teoria M (teoria das branas), teoria da supergravidade, gravidade quântica em loop, etc. confirmação experimental. O problema é que a realização dos experimentos correspondentes requer energias que são inatingíveis com os modernos aceleradores de partículas carregadas. O LHC permitirá experiências que antes eram impossíveis e provavelmente confirmará ou refutará algumas destas teorias. Assim, existe toda uma gama de teorias físicas com dimensões superiores a quatro que assumem a existência de “supersimetria” - por exemplo, a teoria das cordas, que às vezes é chamada de teoria das supercordas precisamente porque sem supersimetria perde significado físico . A confirmação da existência da supersimetria será, portanto, uma confirmação indireta da veracidade destas teorias. Estudando quarks top O quark top é o quark mais pesado e, além disso, é a partícula elementar mais pesada descoberta até agora. De acordo com os últimos resultados do Tevatron, sua massa é de 173,1 ± 1,3 GeV/c 2. Devido à sua grande massa, o quark top foi observado até agora apenas em um acelerador - o Tevatron; em outros aceleradores simplesmente não havia energia suficiente para seu nascimento; Além disso, os quarks top interessam aos físicos não apenas por si próprios, mas também como uma “ferramenta de trabalho” para o estudo do bóson de Higgs. Um dos canais mais importantes para a produção do bóson de Higgs no LHC é a produção associativa juntamente com um par top quark-antiquark. Para separar de forma confiável tais eventos do fundo, primeiro é necessário estudar as propriedades dos próprios quarks superiores. Estudar o mecanismo de simetria eletrofraca Um dos principais objetivos do projeto é provar experimentalmente a existência do bóson de Higgs, partícula prevista pelo físico escocês Peter Higgs em 1964 no âmbito do Modelo Padrão. O bóson de Higgs é um quantum do chamado campo de Higgs, ao passar pelo qual as partículas experimentam resistência, que representamos como correções de massa. O bóson em si é instável e tem uma massa grande (mais de 120 GeV/c 2). Na verdade, os físicos não estão tanto interessados ​​no próprio bóson de Higgs, mas no mecanismo de Higgs para quebrar a simetria da interação eletrofraca. Estudo do plasma de quark-gluon Espera-se que aproximadamente um mês por ano seja gasto no acelerador no modo de colisão nuclear. Durante este mês, o colisor irá acelerar e colidir não com prótons, mas com núcleos de chumbo nos detectores. Durante uma colisão inelástica de dois núcleos em velocidades ultrarelativísticas, um pedaço denso e muito quente de matéria nuclear é formado por um curto período de tempo e depois se desintegra. A compreensão dos fenômenos que ocorrem neste caso (a transição da matéria para o estado de plasma quark-glúon e seu resfriamento) é necessária para construir uma teoria mais avançada de interações fortes, que será útil tanto para a física nuclear quanto para a astrofísica. A busca pela supersimetria A primeira conquista científica significativa das experiências do LHC pode ser a prova ou refutação da “supersimetria” – a teoria de que cada partícula elementar tem uma parceira muito mais pesada, ou “superpartícula”. Estudo de colisões fóton-hádron e fóton-fóton A interação eletromagnética de partículas é descrita como a troca de fótons (em alguns casos virtuais). Em outras palavras, os fótons são portadores do campo eletromagnético. Os prótons são eletricamente carregados e cercados por um campo eletrostático, respectivamente, este campo pode ser considerado como uma nuvem de fótons virtuais; Cada próton, especialmente um próton relativístico, inclui uma nuvem de partículas virtuais como componente. Quando os prótons colidem, as partículas virtuais que cercam cada próton também interagem. Matematicamente, o processo de interação de partículas é descrito por uma longa série de correções, cada uma das quais descreve a interação através de partículas virtuais certo tipo(ver: diagramas de Feynman). Assim, ao estudar a colisão de prótons, a interação da matéria com fótons de alta energia, que representa grande interesse Para física Teórica. Uma classe especial de reações também é considerada - a interação direta de dois fótons, que podem colidir com um próton que se aproxima, gerando colisões típicas de fóton-hádron, ou entre si. No modo de colisão nuclear, devido ao grande carga elétrica núcleo, a influência dos processos eletromagnéticos é ainda mais importante. Testando teorias exóticas Os teóricos do final do século 20 apresentaram um grande número ideias incomuns em relação à estrutura do mundo, que são coletivamente chamados de “modelos exóticos”. Estes incluem teorias com forte gravidade numa escala de energia da ordem de 1 TeV, modelos com grande quantia dimensões espaciais, modelos de préons nos quais os próprios quarks e léptons consistem em partículas, modelos com novos tipos de interação. O fato é que os dados experimentais acumulados ainda não são suficientes para criar uma teoria única. E todas essas teorias são compatíveis com os dados experimentais disponíveis. Como estas teorias podem fazer previsões específicas para o LHC, os experimentadores planeiam testar as previsões e procurar vestígios de certas teorias nos seus dados. Espera-se que os resultados obtidos no acelerador consigam limitar a imaginação dos teóricos, fechando algumas das construções propostas. Outros Espera-se também que sejam descobertos fenômenos físicos além do Modelo Padrão. Está previsto estudar as propriedades dos bósons W e Z, interações nucleares em energias ultra-altas, processos de produção e decaimento de quarks pesados ​​(b e t).

Talvez o mundo inteiro conheça o edifício científico mais grandioso da Europa - o Grande Colisor de Hádrons, construído perto da cidade suíça de Genebra.

Antes do seu lançamento, havia muitos rumores de pânico sobre o fim do mundo e que a instalação causaria danos irreparáveis ​​ao meio ambiente na Suíça. Porém, os anos passam, o colisor funciona, mas o mundo continua o mesmo. Por que foi construída uma estrutura tão grande e cara? Vamos descobrir.

O que é o Grande Colisor de Hádrons?

Não há nada de místico no design do Grande Colisor de Hádrons, ou LHC. Este é apenas um acelerador de partículas elementares carregadas, necessário para acelerar partículas pesadas e estudar os produtos formados quando colidem com outras partículas.

Existem mais de uma dúzia de instalações semelhantes em todo o mundo, incluindo aceleradores russos em Dubna, perto de Moscovo, e Novosibirsk. O LHC foi lançado pela primeira vez em 2008, mas devido a um acidente ocorrido logo depois, operou por muito tempo com baixa potência energética, e somente a partir de 2015 é possível operar a instalação em sua capacidade projetada.

Como quase todas as instalações semelhantes, o LHC é um túnel colocado em forma de anel. Está localizado a uma profundidade de aproximadamente 100 metros, na fronteira entre a França e a Suíça. A rigor, o sistema LHC inclui duas unidades, uma de menor diâmetro e outra de maior diâmetro. O comprimento do grande túnel excede o tamanho de todos os outros aceleradores existentes hoje e é de 25,5 quilômetros, razão pela qual o colisor recebeu o nome de Big.

Por que o colisor foi construído?

Físicos modernos conseguiu desenvolver um modelo teórico que combina três interações fundamentais das quatro existentes e denominado Modelo Padrão (SM). No entanto, ainda não pode ser considerada uma teoria abrangente da estrutura do mundo, uma vez que a área que os cientistas chamam de teoria da gravidade quântica e que descreve a interação gravitacional permanece praticamente inexplorada. O papel principal nele, segundo a teoria, deveria ser desempenhado pelo mecanismo de formação da massa de partículas, denominado bóson de Higgs.


Cientistas de todo o mundo esperam que as pesquisas realizadas no LHC tornem possível estudar experimentalmente as propriedades do bóson de Higgs. Além disso, o estudo dos quarks é de considerável interesse - este é o nome das partículas elementares que formam os hádrons (por causa deles o colisor é chamado de hadrônico).

Como funciona o LHC?

Como já mencionado, o LHC é um túnel redondo composto por um anel principal e um anel auxiliar. As paredes do túnel são compostas por muitos eletroímãs poderosos que geram um campo que acelera as micropartículas. A aceleração inicial ocorre no túnel auxiliar, mas as partículas ganham a velocidade necessária no anel principal, após o que as partículas que correm em sua direção colidem, e o resultado de sua colisão é registrado por instrumentos altamente sensíveis.

Como resultado de inúmeras experiências, em julho de 2012, a liderança do CERN (Conselho Europeu de Investigação Nuclear) anunciou que as experiências tinham descoberto o bóson de Higgs. Atualmente, o estudo desse fenômeno continua, pois muitas de suas propriedades diferem daquelas previstas na teoria.

Por que as pessoas precisam de um BAC?

Os custos de construção do LHC ascenderam, segundo diversas fontes, a mais de 6 mil milhões de dólares americanos. O valor torna-se muito mais impressionante se lembrarmos dos custos anuais de operação da instalação. Por que você precisa incorrer em despesas tão significativas, quais benefícios o colisor trará? pessoas comuns?

A investigação planeada e já em curso no LHC poderá, no futuro, dar às pessoas acesso a energia barata que pode ser obtida literalmente do nada. Esta será talvez a revolução científica e tecnológica mais ambiciosa da história da humanidade. Além disso, ao compreender o mecanismo do bóson de Higgs, as pessoas podem ganhar poder sobre uma força que permanece completamente incontrolável pelas pessoas - a gravidade.


É claro que as descobertas que serão feitas com a ajuda do Grande Colisor de Hádrons não nos permitirão dominar a tecnologia de conversão de matéria em energia ou criar uma aeronave antigravitacional imediatamente amanhã - resultados práticos são esperados apenas em um futuro distante . No entanto, os experimentos nos permitirão dar mais alguns pequenos passos no sentido de compreender a essência da estrutura do Universo.