Андрония колайдер - всичко важно
Големият адронен колайдер (ускорител), кратко LHC (Large Hadron Collider) е ускорител наа високоенергийни частици (протони и тежки йони) съвсем до скоростта на светлината благодарение на електромагнитни полета и да учи продуктите от техните конфликти.
Първият в света адронен колайдер ISR започва през 1971 година от Европейската организация за нуклеарни проучвания (CERN). Устройството беше малко - 943 м дължина, а оптималната сила на частиците, до която можеше да ги форсира, беше 28 GeV. Презот своя ст 80-те години работата на ISR е спряна и средствата, изразходвани за поддръжката му, са ориентирани към построяването на по-мощен електрон-позитронен колайдер. Последният работи до 2001 година, когато е сменен от Големия адронен колайдер, най-мощният адронен ускорител в света.
„ Голям “ е наименуван поради размерите си: дължината на основния пръстен на ускорителя е 26 659 метра. " Адронен " се назовава заради обстоятелството, че форсира адроните - протоните и тежките ядра на атомите. „ Колайдер “ (англ. Collider - ускорител) – заради обстоятелството, че два снопа ускорени частици се сблъскват в противоположни направления в специфични места на конфликт – вътре в детекторите на обикновени частици.
Големият адронен колайдер е издигнат в CERN (Европейски съвет за нуклеарни изследвания), ситуиран покрай Женева, на границата на Швейцария и Франция. LHC е най-голямата пробна апаратура в света. Повече от 10 000 учени и инженери от повече от 100 страни, в това число 12 института и 2 федерални нуклеарни центъра, са взели участие и вземат участие в строителството и проучванията.
Служителите на CERN са основали онлайн карта на Големия адронен колайдер, на която са показани тунелът, в който се намира, и част от ускоряващия пръстен. Тук може да разгледате виртуална карта на тунела: (https://virtual-tours.web.cern.ch/vtours/LHC/LHC.html)
Каква задача извършва адронният колайдер?
Във физиката на обикновените частици има един значим принцип - Стандартния модел. Това е доктрина, която разказва по какъв начин си взаимодействат обикновените частици на нашия свят: кварки, бозони, лептони, бариони. Учените се интересуват от тези връзки, тъй като те могат да доведат до нови или доста редки детайли, които са едва или въобще не са проучени. Това, от своя страна, ще ви разреши да научите повече за света и неговата материя.
За да откриете нови частици, би трябвало да организирате опити. Това е мястото, където колайдерите оказват помощ на учените. Инсталациите възпроизвеждат процесите, които действително се случват в природата, т.е. заредени частици на материята се сблъскват една с друга - протони с протони или електрони с позитрони. След това събраните данни се записват и трансферират на компютър. Учените имат опция да проучат в детайли резултатите от взаимоотношението на заредени частици: да открият следи от разпада на мюони, пи- и К-мезони и други събития, зародили в колайдера.
На първо място, Големият адронен колайдер се чака да открие бозона на Хигс (елементарна парченце с нулев ъглов миг и нулев заряд, която играе значима роля в Стандартния модел и чието битие беше предсказано доста преди откритието). Но главните съществени очаквания на физиците са свързани с обстоятелството, че LHC ще открие нещо ненадейно. Така че, в допълнение към проучването на механизма на Хигс, една от дилемите е търсенето на микроскопични черни дупки. За страдание, те към момента не са открити.
В допълнение към търсенето на черни дупки и откриването на Хигс бозона, адронният колайдер е изправен пред няколко други задания:
- Търсене на суперсиметрия, т.е. удостоверение на теорията, че всяка обикновена парченце от Вселената има суперсиметричен сътрудник. Ако LHC успее да потвърди това събитие, тогава ще се удостовери, че Стандартният модел не е единствената доктрина за структурата на обикновените частици, а единствено част от огромна система на микросвета;
- Изследването на топ кварките - най-тежките обикновени частици. Техните свойства не са задоволително проучени и по тази причина съставляват интерес за физиците;
- Изследването на кварк-глуонна плазма, която поражда от конфликта на оловни ядра. Изследването на този феномен ще помогне на учените да изградят по-добри теории за мощни взаимоотношения на частиците.
Как работи Големият адронен колайдер
Големият адронен колайдер е ускоряващ пръстен с обиколка от 27 км, оборудван с голям брой съоръжения, всяка от които извършва своя лична функционалност. Ускоряващият пръстен може условно да се раздели на осем бранша, през които минават лъчи от частици.
Лъчите от частици навлизат в Големия адронен колайдер от SPS Pre-Accelerator, Proton Super Synchrotron, който ги образува и по-късно ги инжектира в особено поделение на LHC. Вътре в колайдера протоните стартират да циркулират в противоположни направления през две вакуумни тръби. Докато се движат, те минават през следните настройки на пръстена на ускорителя:
- Ускоряващ сектор. Протонните лъчи се инжектират в LHC при сила от 0. 45 TeV и се форсират до 7 TeV към този момент вътре в колайдера. При всяко ново завъртане през ускорителната секция протоните получават спомагателна енергия;
- Система за рухване на лъча. Тази конфигурация стопира и отстранява протонния лъч от LHC, в случай че той се отклони от дадената траектория;
- Почистване на греди. Докато протонният лъч минава през вакуумната тръба, някои от неговите частици може да се отклонят. Системата за разчистване на гредата ги отрязва, без да допира главната част на гредата;
- Детектори. Основната задача на тези съоръжения е да записват резултата от взаимоотношението на частиците и да предават съответната информация в дигитален тип на контролния център на CERN.
Детекторът е голямо количество електроника, чиито сигнали могат да се употребяват за следене на типовете частици, формирани по време на конфликта на протонни лъчи, както и техните параметри: сила, посока на придвижване и т.н.
Всички данни се получават като поток от информация - към 20 GB в секунда. Невъзможно е просто по този начин да се резервира подобен размер информация, по тази причина има в допълнение подбиране. От целия размер информация, която идва от електрониката на детектора, се избират единствено тези сигнали, от които е допустимо да се реконструират събития - появяването на частици.
Освен това цялата информация се записва на диск. Пълното количество данни, идващи от Големия адронен колайдер, се съхраняват в изчислителния център на CERN. Има още 12 центъра на по-ниско равнище, които хостват архивни фрагменти от тези данни. Тоест данните се популяризират по целия свят.
За да задържат протонните лъчи вътре в ускорителя, те би трябвало да бъдат наранени от магнитно поле. За задачата няколко хиляди мощни магнита са конфигурирани в Големия адронен колайдер.
Кой поддържа Големия адронен колайдер
Всички контроли на LHC се намират в контролния център на CERN. Има към 1500 непрекъснати чиновници: инженерен и теоретичен личен състав, който обезпечава работата на ускорителния комплекс, чиновници, участващи в създаването, ремонта и модернизацията на оборудването и др.
Друга категория чиновници в LHC са поканени групи от учени, които организират опити. Те идват в избран час и учат данните, получени от детектора. Освен това физици от други страни оказват помощ да се управлява работата на LHC: те вървят на смени и следят неговите принадлежности и системи.
Големият адронен колайдер работи непрекъснато - не можете да го изключите. Това се дължи на обстоятелството, че той непрекъснато употребява огромно количество сила, основно за поддържане на ниска температура. Освен това би трябвало непрекъснато да наблюдавате колайдера, тъй че денят е разграничен на най-малко три работни смени.
Какво е намерено в Големия адронен колайдер
Към днешна дата бозонът на Хигс е единственото изобретение, направено в Големия адронен колайдер. Тази обикновена парченце беше нужна на учените, с цел да обяснят нарушаването на електрослабата симетричност, при което други частици, които в началото не тежаха нищо, получиха маса.
За да обяснят нарушаването на симетрията, през 70-те години Питър Хигс и няколко други учени изложиха теорията, че полето прониква във Вселената, с което частиците получават маса, когато взаимодействат с него. По-късно се назовава полето на Хигс. За да потвърдят теорията, учените трябваше да открият и потвърдят съществуването на бозона на Хигс, основата на материята на полето на Хигс.
В продължение на няколко десетилетия Франсоа Енглерт и Питър Хигс се пробват да открият бозона на Хигс посредством опити, само че безрезултатно. Тази парченце е мъчно да се види, тъй като е нестабилна и когато се появи, незабавно се разпада - належащо е мощно съоръжение, което да улови следи от нейния разпад. Въпреки това с помощта наексперименти в електрон-позитронния колайдер учените съумяха да дефинират приблизителната маса на Хигс бозона, което доста улесни търсенето.
Работата беше продължена в Големия адронен колайдер и през 2012 година експериментаторите оповестиха, че всеки от тях е следил нова парченце, която по своята маса и други характерности е сходна на бозона на Хигс. През 2013 година откритието на учените беше публично прието, а Франсоа Енглерт и Питър Хигс получиха Нобелова премия за своите открития.
Защо хората се опасяват от Големия адронен колайдер
Според една доктрина по време на конфликта на протони в Големия адронен колайдер могат да се появят черни дупки. Ако са постоянни и не се разпаднат, ще попаднат в центъра на Земята, ще обхванат нейната материя и ще унищожат планетата. Началото на тези догатки беше положено от хавайския академик Уолтър Вагнер - той заведе дело с искане да спре построяването на LHC и да организира спомагателни проби, с цел да потвърди сигурността на инсталацията. След процеса други започнаха да се тревожат. И по този начин, група незнайни хора заплашиха с репресии учените, които работиха върху LHC.
Но страшният сюжет е неосъществим. Това, което се случва в LHC, се случва и в природата, единствено че в доста по-голям мащаб и с големи мощности. Това значи, че микроскопичните черни дупки биха се появили от дълго време. Освен това, съгласно теорията на относителността на Айнщайн микроскопичните черни дупки не могат да се образуват в LHC, защото частиците, които биха могли да ги образуват, мигновено се разпадат.
Последователите на друга доктрина допускат, че по време на работата на LHC може да се появят странгелети - парче странна материя, което се състои от странни кварки. Ако тези частици попаднат в елементарна материя, тогава ще стартира верижна реакция и цялата планета ще се трансформира в буца странна материя, несъответствуваща за живот.
Всичко се усложнява от обстоятелството, че странната материя към момента е едва разбрана и никой от учените не може да каже по какъв начин ще се държи (оттук и името и).
Дългосрочните опити обаче демонстрират, че през целия интервал на работа на LHC в него не се е появила нито една звезда. Физиците от Националната лаборатория Брукхейвън в Ню Йорк също се пробваха да намерят тези елементи в различен колайдер, само че търсенето, почнало през далечната 2000 година, не е дало резултат до през днешния ден.
LHC и магнитни монополи
Магнитните монополи са хипотетично съществуващи частици с един магнитен заряд: северен или южен. Според някои теории, в случай че тези детайли в действителност съществуват, те могат да причинят разпадането на протоните - една от главните частици на материята - и вследствие на това унищожаването на материята и света.
Хората се опасяват, че в LHC могат да се създават магнитни монополи. Но това не е по този начин: специалистите от CERN са потвърдили, че в случай че съществуват монополи, те имат прекомерно огромна маса - даже за LHC. Но даже и с тегло, уместно за ускорителя, те биха се появили от дълго време: галактическите лъчи, навлизащи в земната атмосфера, биха ги произвели доста по-рано.
Всички ускорители, които работят сега, създават хиляди, в случай че не и милиони пъти по-малко събития от галактическата радиация, падаща върху Земята. Всичко, което вършат колайдерите, се случва с доста по-голяма периодичност от самото начало на битие на планетата в атмосферата и на повърхността на земята.
Следователно всички легенди, че по време на работата на колайдера може да възникне нещо, което ще унищожи земята, са просто надценяване на опциите на човечеството, то няма такива качества.
Бъдещето на Големия адронен колайдер
Големият адронен колайдер работеше в първичните си настройки и беше спрян през 2018 година Това е направено за да се усили неговата светимост, т.е. да се усили продуктивността с 10 пъти. Това ще помогне на LHC да открие повече епизоди на нови частици.
В режим на висока бляскавост Големият адронен колайдер ще работи до към 2040 година - датата се измества заради пандемията от ковид и забавянето на плана. До този миг ускорителят ще е събрал задоволително данни за бозона на Хигс и след най-малко още 50 години учените ще ги обработят.
След като LHC събере всички данни, той ще бъде спрян и CERN ще стартира построяването на нов повтаряем колайдер - Future Circular Collider. Предполага се, че тази пробна установка ще бъде дълга почти 100 км, а силата на конфликта на частиците ще надвишава LHC най-малко 7 пъти. А Големият адронен колайдер, от своя страна, ще стартира да действа като инжектор и ще „ инжектира “ лъчи от частици в ново пробно оборудване.
