Шта је сударач и зашто је потребан?

100 метара испод земље, на граници Француске и Швајцарске, је уређај који може открити тајне свемира. Или, према некима, уништити сав живот на Земљи.

У сваком случају, ово је највећа машина на свету и користи се за проучавање најмањих честица у универзуму. Ово је Ларге Хадрон (не Андроид) Цоллидер (ЛХЦ).

Кратак опис

ЛХЦ је део пројекта који предводи Европска организација за нуклеарна истраживања (ЦЕРН). Колидер је укључен у ЦЕРН-ов комплекс акцелератора изван Женеве у Швајцарској и користи се за убрзавање протонских и јонских снопова до брзина које се приближавају брзини светлости, честице које се сударају једна са другом и бележе настале догађаје. Научници се надају да ће то помоћи да сазнате више о настанку универзума и његовом саставу.

Шта је Цоллидер (ЛХЦ)? Ово је најамбициознији и најснажнији акцелератор честица, изграђен до данас. Хиљаде научника из стотина земаља сурађују и међусобно се надмећу у потрази за новим открићима. Да би се прикупили експериментални подаци, уздуж обима судара је предвиђено 6 локација.

Открића која су са њом направљена могу бити корисна у будућности, али то није разлог за његову изградњу. Циљ Великог хадронског сударача је да прошири наше знање о Универзуму. С обзиром да ЛХЦ вриједи милијарде долара и захтијева сарадњу многих земаља, недостатак практичне примјене може бити неочекиван.

Зашто је Хадрон Цоллидер?

У покушају да схвате наш Универзум, његово функционисање и његову стварну структуру, научници су предложили теорију звану стандардни модел. Покушава да идентификује и објасни основне честице које чине свет таквим какав јесте. Модел комбинира елементе Ајнштајнова теорија релативности са квантном теоријом. Она такође узима у обзир 3 од 4 главне силе Универзума: јаке и слабе нуклеарне интеракције и електромагнетизам. Теорија се не односи на четврту основну силу - гравитацију.

Стандардни модел је дао неколико предвиђања о универзуму који су конзистентни са различитим експериментима. Али постоје и други аспекти који су захтевали потврду. Једна од њих је теоретска честица зван Хиггсов бозон.

Његово откриће даје одговор на питања о маси. Зашто је то важно? Научници су идентификовали честице које немају масу, на пример неутрине. Зашто га неки имају, али други не? Физичари су понудили многа објашњења.

Најједноставнији од њих је Хигсов механизам. Ова теорија каже да постоји честица и њена одговарајућа сила, која објашњава присуство масе. Никада раније није био примећен, тако да су догађаји које је створио ЛХЦ требало да докажу постојање Хигсовог бозона или пруже нове информације.

Још једно питање које научници постављају је повезано са рођењем универзума. Тада су материја и енергија биле једно. Након њиховог раздвајања, честице материје и антиматерије су уништиле једна другу. Ако је њихов број једнак, онда ништа не би остало.

Али, срећом по нас, у свемиру је било више ствари. Научници се надају да ће посматрати антиматерију док ЛХЦ ради. Ово би могло да помогне да се схвати разлог разлике у количини материје и антиматерије када је Универзум почео.

Дарк маттер

Модерно разумевање универзума сугерише да се до сада може уочити само око 4% материје која мора постојати. Кретање галаксија и других небеских тела сугерише да постоји много више видљиве материје.

Научници су ову неодређену ствар назвали тамном. Посматрана и тамна материја је око 25%. Други 3/4 долази од хипотетске тамне енергије која доприноси ширењу универзума.

Научници се надају да ће њихови експерименти или пружити додатне доказе за постојање тамне материје и тамне енергије, или ће потврдити алтернативну теорију.

Али ово је само врх леденог брега физике елементарних честица. Има још више егзотичних и контроверзних ствари које треба да се открију и зашто је потребан сударач.

Велики скок

Гурањем протона на довољно великој брзини, ЛХЦ их разбија у мање атомске под-честице. Врло су нестабилни, а прије распадања или рекомбинације постоји само дјелић секунде.

Према теорији Великог праска, првобитно су се све састојале од материје. Како се свемир ширио и хладио, они су се сјединили у веће честице, као што су протони и неутрони.

Неуобичајене теорије

Ако теоријске честице, антиматерија и тамна енергија нису довољно егзотичне, неки научници вјерују да ЛХЦ може пружити доказе за постојање других димензија. Верује се да је свет четвородимензионалан (тродимензионални простор и време). Али физичари претпостављају да постоје друге димензије које људи не могу да виде. На пример, једна верзија теорије струна захтева најмање 11 мерења.

Присталице ове теорије се надају да ће ЛХЦ пружити доказе о њиховом предложеном моделу универзума. По њиховом мишљењу, темељни грађевни блокови нису честице, већ жице. Могу бити отворени или затворени и вибрирају као гитара. Разлика у вибрацијама чини жице другачијима. Неки се манифестују у облику електрона, док се други остварују као неутрини.

Шта је судар у бројевима?

ЛХЦ је масиван и моћан дизајн. Састоји се од 8 сектора, од којих је сваки лук, ограничен на сваком крају секцијом која се назива “инсерт”. Обим судара је 27 км.

Цијеви акцелератора и коморе за судар се налазе 100 метара под земљом. Приступ до њих обезбеђен је услужним тунелом са лифтовима и степеницама које се налазе на неколико тачака дуж обима ЛХЦ-а. ЦЕРН је изградио и земаљске објекте у којима истраживачи могу прикупљати и анализирати податке које генеришу детектори колидера.

За контролу протонских снопа који се крећу брзином од 99,99% брзину светлости користе се магнети. Огромне су и теже неколико тона. У ЛХЦ-у има око 9,600 магнета. Охлађују се на 1.9К (-271.25 ° Ц). То је испод температуре вањског простора.

Протони унутар колајдера пролазе кроз цеви са ултра високим вакуумом. То је неопходно, тако да нема честица на које би могли наићи прије него што достигну циљ. Један молекул гаса може довести до неуспеха експеримента.

Постоји 6 секција на ободу великог колидера где инжењери могу да спроведу своје експерименте. Могу се упоредити са микроскопима са дигиталном камером. Неки од ових детектора су огромни - АТЛАС је уређај дуг 45 метара, висок 25 метара и тежак 7 тона.

ЛХЦ има око 150 милиона сензора који прикупљају податке и шаљу их у рачунарску мрежу. Према ЦЕРН-у, количина информација добијених током експеримената је око 700 МБ / с.

Очигледно, таквом судару треба много енергије. Годишња потрошња енергије је око 800 ГВх. Могло је да буде много већа, али објекат не ради током зимских месеци. Према ЦЕРН-у, трошак енергије је око 19 милиона еура.

Протон цоллисион

Принцип који лежи у основи физике сударача је врло једноставан. Прво се лансирају два греда: један у смјеру казаљке на сату, а други против. Оба тока су убрзана до брзине светлости. Затим се шаљу једна према другој и посматрају резултат.

Опрема која је потребна да се то постигне је много компликованија. ЛХЦ је део ЦЕРН-овог комплекса. Пре него што било какве честице уђу у ЛХЦ, оне већ пролазе кроз низ корака.

Прво, да би произвели протоне, научници морају лишити водикове атоме електрона. Тада се честице шаљу у инсталацију ЛИНАЦ 2, која их покреће у ПС Боостер акцелератор. Ове машине користе променљиво електрично поље за убрзавање честица. Поља створена од стране огромних магнета помажу у држању греда.

Када сноп досегне жељени енергетски ниво ПС Боостер га усмјерава на СПС супер синкротрон. Ток је још више убрзан и подељен је на 2808 греда са 1.1 к 1011 протона. СПС уноси зраке у ЛХЦ у смјеру казаљке на сату и супротно од казаљке на сату.

Унутар Великог хадронског сударача, протони настављају да се убрзавају 20 минута. На максималној брзини, извршавају 11245 окретаја око ЛХЦ-а сваке секунде. Зраке се спајају на једном од 6 детектора. Када се то догоди 600 милиона судара у секунди.

Када се два протона сударају, они су подељени на мање честице, укључујући кваркове и глуоне. Кварци су веома нестабилни и распадају се у деловима секунде. Детектори прикупљају информације пратећи пут субатомских честица и шаљу их у рачунарску мрежу.

Не сударају се сви протони. Остали се настављају прелазити на секцију за пражњење снопа, гдје их апсорбује графит.

Детектори

На ободу сударача се налази 6 секција у којима се прикупљају подаци и изводе експерименти. Од тога, 4 су основни детектори и 2 су мањи.

Највећи је АТЛАС. Димензије су му 46 к 25 к 25 м. Трагач детектује и анализира импулс честица које пролазе кроз АТЛАС. Окружена је калориметром, који мери енергију честица и апсорбује их. Научници могу посматрати путању свог кретања и екстраполирати информације о њима.

АТЛАС детектор такође има и мјонски спектрометар. Муони су негативно набијене честице 200 пута теже од електрона. Они су једини који могу проћи кроз калориметар без заустављања. Спектрометар мери моментум сваког миона помоћу сензора наелектрисаних честица. Ови сензори могу детектовати флуктуације у АТЛАС магнетном пољу.

Компактни муонски соленоид (ЦМС) је детектор опште намене који детектује и мери подестице ослобођене током судара. Уређај се налази унутар огромног магнетног магнета, који може створити магнетно поље које је готово 100 тисућа пута веће од Магнетно поље Земље.

АЛИЦЕ детектор је дизајниран за проучавање судара иона гвожђа. Према томе, истраживачи се надају да ће створити услове сличне онима који су се десили непосредно након Великог праска. Они очекују да виде како се јони претварају у мешавину кваркова и глуона. Главна компонента АЛИЦЕ је ТПЦ камера, која служи за проучавање и поновно креирање путање честица.

ЛХЦ се користи за тражење доказа о постојању антиматерије. Он то чини тако што тражи честицу звану лијепи кварк. Број под-детектора који окружују тачку судара је дугачак 20 метара. Могу покупити веома нестабилне и брзо пропадајуће честице прекрасних кваркова.

Експеримент ТОТЕМ се спроводи на локацији са једним од малих детектора. Он мери величину протона и јачину ЛХЦ-а, што указује на тачност стварања судара.

ЛХЦ експеримент симулира космичке зраке у контролисаном окружењу. Његова сврха је да помогне у развоју великих истраживања стварних космичких зрака.

Тим истраживача, који броји од неколико десетина до више од хиљаду научника, ради на сваком мјесту детекције.

Обрада података

Није изненађујуће да такав колајдер генерише огроман ток података. 15.000.000 ГБ које годишње примају ЛХЦ детектори представља огроман изазов за истраживаче. Његово решење је компјутерска мрежа која се састоји од рачунара, од којих је сваки у стању да независно анализира податке. Чим компјутер заврши анализу, он шаље резултате на централни рачунар и добија нову серију.

Научници из ЦЕРН-а су одлучили да се фокусирају на коришћење релативно јефтине опреме за извођење својих прорачуна. Уместо куповине напредних сервера и процесора, користи се постојећи хардвер који може добро функционисати на мрежи. Уз помоћ специјалног софтвера, мрежа компјутера ће моћи да похрани и анализира податке из сваког експеримента.

Опасност за планету?

Неки страхују да такав моћан сударач може представљати опасност за живот на Земљи, укључујући и учествовање у формирању црних рупа, "чудних материја", магнетних монопола, зрачења итд.

Научници доследно одбацују такве тврдње. Формирање црне рупе је немогуће, јер постоји велика разлика између протона и звезда. "Чудна материја" могла је да се формира давно под утицајем космичких зрака, а опасност од ових хипотетичких формација је увелико претјерана.

Колидер је изузетно сигуран: одвојен је од површине слојем земље од 100 метара, а особље није дозвољено да буде под земљом током експеримената.