Големият адронен колайдер (ускорител), съкратено LHC (Large Hadron Collider) е ускорител наа високоенергийни частици (протони и тежки йони) почти до скоростта на светлината с помощта на електромагнитни полета и да изучава продуктите от техните сблъсъци.
Първият в света адронен колайдер ISR стартира през 1971 г. от Европейската организация за ядрени изследвания (CERN). Устройството беше малко - 943 м дължина, а максималната енергия на частиците, до която можеше да ги ускори, беше 28 GeV. Презот своя ст 80-те години работата на ISR е спряна и средствата, изразходвани за поддръжката му, са насочени към изграждането на по-мощен електрон-позитронен колайдер. Последният работи до 2001 г., когато е заменен от Големия адронен колайдер, най-мощният адронен ускорител в света.
„Голям“ е наречен заради размерите си: дължината на главния пръстен на ускорителя е 26 659 метра. "Адронен" се нарича поради факта, че ускорява адроните - протоните и тежките ядра на атомите. „Колайдер “ (англ. Collider - ускорител) – поради факта, че два снопа ускорени частици се сблъскват в противоположни посоки в специални места на сблъсък – вътре в детекторите на елементарни частици.
Големият адронен колайдер е построен в CERN (Европейски съвет за ядрени изследвания), разположен близо до Женева, на границата на Швейцария и Франция. LHC е най-голямата експериментална инсталация в света. Повече от 10 000 учени и инженери от повече от 100 страни, включително 12 института и 2 федерални ядрени центъра, са участвали и участват в строителството и изследванията.
Служителите на CERN са създали 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 изпълнява адронният колайдер?
Във физиката на елементарните частици има един важен постулат - Стандартния модел. Това е теория, която описва как си взаимодействат елементарните частици на нашия свят: кварки, бозони, лептони, бариони. Учените се интересуват от тези връзки, защото те могат да доведат до нови или много редки елементи, които са слабо или изобщо не са проучени. Това, от своя страна, ще ви позволи да научите повече за света и неговата материя.
За да откриете нови частици, трябва да провеждате експерименти. Това е мястото, където колайдерите помагат на учените. Инсталациите възпроизвеждат процесите, които реално се случват в природата, тоест заредени частици на материята се сблъскват една с друга - протони с протони или електрони с позитрони. След това събраните данни се записват и прехвърлят на компютър. Учените имат възможност да проучат подробно резултатите от взаимодействието на заредени частици: да открият следи от разпада на мюони, пи- и К-мезони и други събития, възникнали в колайдера.
На първо място, Големият адронен колайдер се очаква да открие бозона на Хигс (елементарна частица с нулев ъглов момент и нулев заряд, която играе важна роля в Стандартния модел и чието съществуване беше предсказано много преди откритието). Но основните сериозни надежди на физиците са свързани с факта, че LHC ще открие нещо неочаквано. Така че, в допълнение към изучаването на механизма на Хигс, една от задачите е търсенето на микроскопични черни дупки. За съжаление, те все още не са открити.
В допълнение към търсенето на черни дупки и откриването на Хигс бозона, адронният колайдер е изправен пред няколко други задачи:
- Търсене на суперсиметрия, т.е. потвърждение на теорията, че всяка елементарна частица от Вселената има суперсиметричен партньор. Ако LHC успее да докаже това явление, тогава ще се потвърди, че Стандартният модел не е единствената теория за структурата на елементарните частици, а само част от голяма система на микросвета;
- Изследването на топ кварките - най-тежките елементарни частици. Техните свойства не са достатъчно проучени и затова представляват интерес за физиците;
- Изследването на кварк-глуонна плазма, която възниква от сблъсъка на оловни ядра. Изследването на този феномен ще помогне на учените да изградят по-добри теории за силни взаимодействия на частиците.
Как работи Големият адронен колайдер
Големият адронен колайдер е ускоряващ пръстен с обиколка от 27 км, оборудван с огромен брой инсталации, всяка от които изпълнява своя собствена функция. Ускоряващият пръстен може условно да се раздели на осем сектора, през които преминават лъчи от частици.
Лъчите от частици навлизат в Големия адронен колайдер от SPS Pre-Accelerator, Proton Super Synchrotron, който ги формира и след това ги инжектира в специално отделение на LHC. Вътре в колайдера протоните започват да циркулират в противоположни посоки през две вакуумни тръби. Докато се движат, те преминават през следните настройки на пръстена на ускорителя:
- Ускоряващ участък. Протонните лъчи се инжектират в LHC при енергия от 0. 45 TeV и се ускоряват до 7 TeV вече вътре в колайдера. При всяко ново завъртане през ускорителната секция протоните получават допълнителна енергия;
- Система за падане на лъча. Тази настройка спира и премахва протонния лъч от LHC, ако той се отклони от дадената траектория;
- Почистване на греди. Докато протонният лъч преминава през вакуумната тръба, някои от неговите частици може да се отклонят. Системата за почистване на гредата ги отрязва, без да докосва основната част на гредата;
- Детектори. Основната задача на тези инсталации е да записват резултата от взаимодействието на частиците и да предават съответната информация в цифров вид на контролния център на CERN.
Детекторът е огромно количество електроника, чиито сигнали могат да се използват за проследяване на видовете частици, образувани по време на сблъсъка на протонни лъчи, както и техните параметри: енергия, посока на движение и т.н.
Всички данни се получават като поток от информация - около 20 GB в секунда. Невъзможно е просто така да се запази такъв обем информация, затова има допълнително сортиране. От целия обем информация, която идва от електрониката на детектора, се избират само тези сигнали, от които е възможно да се реконструират събития - появата 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 ниво, които хостват архивни фрагменти от тези данни. Тоест данните се разпространяват по целия свят.
За да задържат протонните лъчи вътре в ускорителя, те трябва да бъдат засегнати от магнитно поле. За целта няколко хиляди мощни магнита са инсталирани в Големия адронен колайдер.
Кой поддържа Големия адронен колайдер
Всички контроли на LHC се намират в контролния център на CERN. Има около 1500 постоянни служители: инженерен и научен персонал, който осигурява работата на ускорителния комплекс, служители, участващи в разработването, ремонта и модернизацията на съоръжението и др.
Друга категория служители в LHC са поканени групи от учени, които провеждат експерименти. Те пристигат в определен час и изучават данните, получени от детектора. Освен това физици от други страни помагат да се контролира работата на LHC: те ходят на смени и наблюдават неговите инструменти и системи.
Големият адронен колайдер работи денонощно - не можете да го изключите. Това се дължи на факта, че той постоянно консумира голямо количество енергия, главно за поддържане на ниска температура. Освен това трябва постоянно да наблюдавате колайдера, така че денят е разделен на поне три работни смени.
Какво е открито в Големия адронен колайдер
Към днешна дата бозонът на Хигс е единственото откритие, направено в Големия адронен колайдер. Тази елементарна частица беше необходима на учените, за да обяснят нарушаването на електрослабата симетрия, при което други частици, които първоначално не тежаха нищо, придобиха 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 придобиват маса, когато взаимодействат с него. По-късно се нарича полето на Хигс. За да потвърдят теорията, учените трябваше да открият и докажат съществуването на бозона на Хигс, основата на материята на полето на Хигс.
В продължение на няколко десетилетия Франсоа Енглерт и Питър Хигс се опитват да открият бозона на Хигс чрез експерименти, но безуспешно. Тази частица е трудно да се види, защото е нестабилна и когато се появи, веднага се разпада - необходимо е мощно оборудване, което да улови следи от нейния разпад. Въпреки това с помощта наексперименти в електрон-позитронния колайдер учените успяха да определят приблизителната маса на Хигс бозона, което значително улесни търсенето.
Работата беше продължена в Големия адронен колайдер и през 2012 г. експериментаторите обявиха, че всеки от тях е наблюдавал нова частица, която по своята маса и други характеристики е подобна на бозона на Хигс. През 2013 г. откритието на учените беше официално признато, а Франсоа Енглерт и Питър Хигс получиха Нобелова награда за своите открития.
Защо хората се страхуват от Големия адронен колайдер
Според една теория по време на сблъсъка на протони в Големия адронен колайдер могат да се появят черни дупки. Ако са стабилни и не се разпаднат, ще попаднат в центъра на Земята, ще погълнат нейната материя и ще унищожат планетата. Началото на тези предположения беше положено от хавайския учен Уолтър Вагнер - той заведе дело с искане да спре изграждането на LHC и да проведе допълнителни тестове, за да докаже безопасността на инсталацията. След процеса други започнаха да се тревожат. И така, група неизвестни хора заплашиха с репресии учените, които работиха върху LHC.
Но страшният сценарий е невъзможен. Това, което се случва в LHC, се случва и в природата, само че в много по-голям мащаб и с огромни мощности. Това означава, че микроскопичните черни дупки биха се появили отдавна. Освен това, според теорията на относителността на Айнщайн микроскопичните черни дупки не могат да се образуват в LHC, тъй като частиците, които биха могли да ги образуват, моментално се разпадат.
Последователите на друга теория предполагат, 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 обикновена материя, тогава ще започне верижна реакция и цялата планета ще се превърне в буца странна материя, неподходяща за живот.
Всичко се усложнява от факта, че странната материя все още е слабо разбрана и никой от учените не може да каже как ще се държи (оттук и името и).
Дългосрочните експерименти обаче показват, че през целия период на работа на LHC в него не се е появила нито една звезда. Физиците от Националната лаборатория Брукхейвън в Ню Йорк също се опитаха да намерят тези части в друг колайдер, но търсенето, започнало през далечната 2000 г., не е дало резултат до днес.
LHC и магнитни монополи
Магнитните монополи са хипотетично съществуващи частици с един магнитен заряд: северен или южен. Според някои теории, ако тези елементи наистина съществуват, те могат да причинят разпадането на протоните - една от основните частици на материята - и в резултат на това унищожаването на материята и света.
Хората се страхуват, че в LHC могат да се произвеждат магнитни монополи. Но това не е така: експертите от CERN са доказали, че ако съществуват монополи, те имат твърде голяма маса - дори за LHC. Но дори и с тегло, подходящо за ускорителя, те биха се появили отдавна: космическите лъчи, навлизащи в земната атмосфера, биха ги произвели много по-рано.
Всички ускорители, които работят в момента, произвеждат хиляди, ако не и милиони пъти по-малко събития от космическата радиация, падаща върху Земята. Всичко, което правят колайдерите, се случва с много по-голяма честота през цялото време на съществуване на планетата в атмосферата и на повърхността на земята.
Следователно всички митове, че по време на работата на колайдера може да възникне нещо, което ще унищожи земята, са просто надценяване на възможностите на човечеството, то няма такива способности.
Бъдещето на Големия адронен колайдер
Големият адронен колайдер работеше в първоначалните си настройки и беше спрян през 2018 г. Това е направено с цел да се увеличи неговата светимост, тоест да се увеличи производителността с 10 пъти. Това ще помогне на LHC да открие повече епизоди на нови частици.
В режим на висока яркост Големият адронен колайдер ще работи до около 2040 г. - датата се измества поради пандемията от коронавирус и забавянето на проекта. До този момент ускорителят ще е събрал достатъчно данни за бозона на Хигс и след поне още 50 години учените ще ги обработят.
След като LHC събере всички данни, той ще бъде спрян и CERN ще започне изграждането на нов цикличен колайдер - Future Circular Collider. Предполага се, че тази експериментална установка ще бъде дълга приблизително 100 км, а енергията на сблъсъка на частиците ще надвишава LHC поне 7 пъти. А Големият адронен колайдер, от своя страна, ще започне да функционира като инжектор и ще „инжектира“ лъчи от частици в ново експериментално съоръжение.
