eine Anlage, in der mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder gerichtete Strahlen von Elektronen, Protonen, Ionen und anderen geladenen Teilchen mit einer viel höheren Energie als Wärmeenergie gewonnen werden. Beim Beschleunigungsprozess steigen die Teilchengeschwindigkeiten, oft auf Werte nahe der Lichtgeschwindigkeit. Derzeit werden zahlreiche kleine Beschleuniger in der Medizin (Strahlentherapie) und auch in der Industrie (z. B. zur Ionenimplantation in Halbleitern) eingesetzt. Große Beschleuniger werden hauptsächlich für wissenschaftliche Zwecke verwendet - um subnukleare Prozesse und die Eigenschaften von Elementarteilchen zu untersuchen ( siehe auch ELEMENTARTEILCHEN).

Gemäß der Quantenmechanik ist ein Teilchenstrahl wie ein Lichtstrahl durch eine bestimmte Wellenlänge gekennzeichnet. Je größer die Energie der Teilchen ist, desto kürzer ist diese Wellenlänge. Und je kürzer die Wellenlänge, desto kleinere Objekte können untersucht werden, aber desto größer sind die Beschleuniger und desto komplexer sind sie. Die Entwicklung der Erforschung des Mikrokosmos erforderte immer größere Energie des Sondierungsstrahls. Die ersten Quellen energiereicher Strahlung waren natürliche radioaktive Stoffe. Aber sie gaben den Forschern nur eine begrenzte Menge an Teilchen, Intensitäten und Energien. In den 1930er Jahren begannen Wissenschaftler mit der Arbeit an Anlagen, die vielfältigere Strahlen erzeugen konnten. Derzeit gibt es Beschleuniger, die es ermöglichen, jede Art von hochenergetischer Strahlung zu erhalten. Wird beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlung benötigt, werden Elektronen beschleunigt, die dann in Bremsstrahlungs- oder Synchrotronstrahlungsprozessen Photonen emittieren. Neutronen werden erzeugt, indem ein geeignetes Ziel mit einem intensiven Protonen- oder Deuteronenstrahl beschossen wird.

Die Energie nuklearer Teilchen wird in Elektronenvolt (eV) gemessen. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein geladenes Teilchen mit einer Elementarladung (Elektronenladung) aufnimmt, wenn es sich in einem elektrischen Feld zwischen zwei Punkten mit einer Potentialdifferenz von 1 V bewegt. Energie im Bereich von Tausenden bis zu mehreren Billionen (10 12 ) Elektronenvolt - am größten Beschleuniger der Welt.

Um seltene Prozesse in einem Experiment nachzuweisen, ist es notwendig, das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Dies erfordert immer intensivere Strahlungsquellen. Die Spitzenstellung der modernen Beschleunigertechnologie wird durch zwei Hauptparameter bestimmt - die Energie und Intensität des Teilchenstrahls.

Moderne Beschleuniger verwenden zahlreiche und unterschiedliche Arten von Technologien: Hochfrequenzgeneratoren, Hochgeschwindigkeitselektronik und automatische Steuerungssysteme, komplexe Diagnose- und Steuerungsgeräte, Ultrahochvakuumausrüstung, leistungsstarke Präzisionsmagnete (sowohl „normale“ als auch kryogene) und komplexe Ausrichtung und Befestigungssysteme.

Waloschek P. Reise in die Tiefen der Materie. Mit dem HERA-Beschleuniger an die Grenzen des Wissens. M., 1995

Finden " PARTIKELBESCHLEUNIGER" auf der

Der Neustart wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, die einzigartigen Eigenschaften von Antimaterie weiter im Detail zu untersuchen.

„Vielleicht können wir sogar herausfinden, ob Antiwasserstoff auf die Schwerkraft reagiert“, sagt Sevior. - Dies ist ein schwieriger, aber interessanter Test für die Grundlagenphysik. Wir erwarten, dass Antimaterie als Reaktion auf die Schwerkraft auf die gleiche Weise beschleunigt wie Materie, aber niemand hat dies zuvor getan; Wenn nicht, könnte es die Arbeit der Schwerkraft auf den Kopf stellen.“

Das Studium der Schwerkraft und zusätzlicher Dimensionen der Raumzeit

Wissenschaftler wollen verstehen, warum sich die Schwerkraft so sehr von anderen Naturkräften unterscheidet. Es ist möglich, dass wir die volle Wirkung der Schwerkraft nicht spüren, weil sie sich in zusätzliche Dimensionen ausbreitet.

Wissenschaftler können durchaus mehr über diese zusätzlichen Dimensionen erfahren, indem sie Teilchen beobachten, die nur in ihnen existieren können und real sind.

„Statt Supersymmetrie als grundlegend neue Physik können wir zusätzliche Dimensionen erhalten“, sagt Sevior. „Theorien deuten darauf hin, dass es in anderen Dimensionen möglicherweise schwerere Versionen von Standardpartikeln gibt – Kaluza-Klein-Partikel, die mehr Masse als Standardpartikel haben.“

Diese Teilchen können nur bei hochenergetischen Kollisionen nachgewiesen werden.

Entstehung von Schwarzen Löchern

Schwarze Löcher sind Orte, an denen die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann.

Stellare Schwarze Löcher entstehen, wenn die massive Schwerkraft eines Sterns dazu führt, dass sein Kern plötzlich zusammenbricht, in sich zusammenfällt und einen Punkt ohne Wiederkehr schafft. Supermassive Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien können Millionen oder Milliarden Mal die Masse der Sonne haben.

Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass mikroskopische oder quantenmechanische Schwarze Löcher, die kleiner als ein Atom sind, existieren könnten, wenn es zusätzliche verborgene Dimensionen gäbe.

Bis jetzt hat der LHC keine mikroskopisch kleinen Schwarzen Löcher produziert, und wenn er es täte, wären sie so klein, dass sie in 10^-27 Sekunden verdampfen und in gewöhnliche oder supersymmetrische Teilchen zerfallen würden.

„Wenn der LHC mikroskopisch kleine Schwarze Löcher erzeugt, wäre das ein Beweis für zusätzliche Dimensionen, und die ungewöhnlichen Spuren ihres Erscheinens wären leicht zu erkennen“, sagt Sevior.

Was Wissenschaftler finden, hängt von der Anzahl der zusätzlichen Dimensionen, der Masse des Schwarzen Lochs, der Größe der Dimensionen und der Energie ab, bei der sich das Schwarze Loch bilden wird.

Gibt es Riemen?

Wie bei Schwarzen Löchern gibt es beim LHC eine weitere theoretische Gefahr hochenergetischer Kollisionen – Killer-Strangelet.

Strapellets („Strange Droplets“) sind hypothetische subatomare Stücke seltsamer Materie, die fast ausschließlich aus Up-, Down- und Strange-Quarks bestehen, die der Theorie zufolge mit zunehmendem Wachstum stabiler werden.

Eine Theorie besagt, dass Strangelets gewöhnliche Materie in einer Tausendstelsekunde verändern können, die Erde zerstören und sie in ein riesiges Killerstrange verwandeln.

Aber Sevior sagt, dass es unwahrscheinlich ist.

„Ich hoffe, wir finden es, denn es ist äußerst interessant. Und ich mache mir überhaupt keine Sorgen, denn die Erde und andere Planeten werden mit hochenergetischen Strahlen bombardiert, und wenn diese seltsame Substanz gewöhnliche Materie in Strangelets verwandelt hätte, hätte sie vor langer Zeit alle Milliarden von Jahren zerstört.

"Die Tatsache, dass wir immer noch hier sind, ist ein großartiger Beweis dafür, dass es keinen Grund zur Sorge gibt."

Wie funktioniert der Large Hadron Collider?

Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt ist ein 27 Kilometer langer unterirdischer Ring an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz.

Die 10-Milliarden-Dollar-Anlage, die von CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung, betrieben wird, lässt subatomare Teilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen.

Für die Kollision werden zwei benachbarte Röhren verwendet, Strahllinien, die mit leistungsstarken supraleitenden Elektromagneten ausgestattet sind, die mit flüssigem Helium auf Temperaturen unter -271 Grad Celsius gekühlt werden. Dies ist der größte Kühlschrank der Welt.

Diese Magnete schicken Strahlen von Protonen oder Atomkernen entlang jeder der Linien in entgegengesetzte Richtungen. Teilchenkollisionen treten in vier riesigen unterirdischen Detektoren auf, die sich an den Schnittpunkten der Strahlenlinien befinden.

Die ersten Protonenstrahlen wurden am 10. September 2008 um den LHC-Ring geschickt, aber neun Tage später verursachte ein Stromausfall, dass flüssiges Helium austrat und explodierte, wodurch die Anlage für ein Jahr stillgelegt wurde.

Im November 2009 fing alles wieder an, aber die Leistung wurde reduziert. Anfang 2013 wurde der LHC geschlossen, um seine Leistung von 8 TeV auf 14 TeV zu erhöhen. Ein Elektronenvolt ist ein Energiemaß, das auf dem Gebiet der Teilchenphysik verwendet wird, um die Energiemenge zu bestimmen, die ein Elektron gewinnt, wenn es durch eine elektrische Potentialdifferenz von einem Volt beschleunigt wird.

„Wenn wir ein Elektron am Ende einer 1,5-Volt-Batterie abfeuern, erhält es 1,5 Elektronenvolt kinetische Energie“, sagt Sevior. "Es ist viel schwächer als ein Mückenstich, Sie werden es nicht bemerken, aber wenn Sie einen Strahl mit einer Megawatt-Energie treffen, wird es ein Loch in Sie brennen."

Es ist die Suche nach Möglichkeiten, zwei grundlegende Theorien zu kombinieren – GR (über Gravitation) und SM (Standardmodell, das drei grundlegende physikalische Wechselwirkungen kombiniert – elektromagnetische, starke und schwache). Das Finden einer Lösung vor der Errichtung des LHC wurde durch die Schwierigkeiten bei der Erstellung einer Theorie der Quantengravitation behindert.

Die Konstruktion dieser Hypothese beinhaltet die Kombination zweier physikalischer Theorien - Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie.

Dafür wurden mehrere populäre und notwendige Ansätze in der Neuzeit gleichzeitig verwendet - Stringtheorie, Brantheorie, Supergravitationstheorie sowie die Theorie der Quantengravitation. Vor dem Bau des Colliders war das Hauptproblem bei der Durchführung der notwendigen Experimente der Energiemangel, der mit anderen modernen Teilchenbeschleunigern nicht erreicht werden kann.

Der Genfer LHC gab Wissenschaftlern die Möglichkeit, zuvor nicht durchführbare Experimente durchzuführen. Es wird angenommen, dass in naher Zukunft mit Hilfe des Apparats viele physikalische Theorien bestätigt oder widerlegt werden. Eines der problematischsten ist die Supersymmetrie oder Stringtheorie, die die Physik lange Zeit in zwei Lager spaltete - "Stringer" und ihre Rivalen.

Andere grundlegende Experimente, die im Rahmen der Arbeit des LHC durchgeführt wurden

Interessant ist auch die Forschung von Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Untersuchung von Top-Quarks, die die meisten Quarks und die schwersten (173,1 ± 1,3 GeV/c²) aller derzeit bekannten Elementarteilchen sind.

Aufgrund dieser Eigenschaft konnten Wissenschaftler schon vor der Entstehung des LHC nur Quarks am Tevatron-Beschleuniger beobachten, da andere Geräte einfach nicht genug Leistung und Energie hatten. Die Theorie der Quarks wiederum ist ein wichtiges Element der sensationellen Higgs-Boson-Hypothese.

Alle wissenschaftlichen Forschungen zur Entstehung und Untersuchung der Eigenschaften von Quarks werden von Wissenschaftlern im obersten Quark-Antiquark-Dampfbad des LHC durchgeführt.

Ein wichtiges Ziel des Genfer Projekts ist auch die Untersuchung des Mechanismus der elektroschwachen Symmetrie, die auch mit dem experimentellen Nachweis der Existenz des Higgs-Bosons zusammenhängt. Wenn wir das Problem genauer definieren, dann ist das Untersuchungsobjekt nicht so sehr das Boson selbst, sondern der von Peter Higgs vorhergesagte Mechanismus der Verletzung der Symmetrie der elektroschwachen Wechselwirkung.

Im Rahmen des LHC werden auch Experimente zur Suche nach Supersymmetrie durchgeführt - und das gewünschte Ergebnis soll sowohl der Nachweis der Theorie, dass jedes Elementarteilchen immer von einem schwereren Partner begleitet wird, als auch deren Widerlegung sein.

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 energetisch 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 Größenordnung der Leuchtkraft von BaBar (SLAC, USA) und Belle (Englisch) (KEK, Japan) liegt.

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 Tunneltiefe beträgt 50 bis 175 Meter, der Tunnelring ist gegenüber der Erdoberfläche 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 unter kleinen Winkeln untersuchen, wie sie während enger Spannweiten ohne Kollisionen auftreten (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.

Während des Betriebs des Colliders werden unabhängig von der Art der beschleunigten Teilchen (Protonen oder Kerne) an allen vier Schnittpunkten der Strahlen gleichzeitig Kollisionen durchgeführt. 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. In den Anfangsstadien des Debugging des Beschleunigungsprozesses zirkuliert nur ein Bündel in einem Bündel von mehreren Zentimetern Länge und kleiner 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 Klumpen 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.

Die Bündel durchlaufen einen vollen Kreis des Beschleunigers schneller als 0,0001 Sekunden und machen 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 endgültige 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 kombinieren, 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 ihre physikalische Bedeutung verliert. 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 hat. 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 als integralen Bestandteil eine Wolke virtueller Teilchen. Wenn Protonen miteinander kollidieren, interagieren auch die virtuellen Teilchen, die jedes der Protonen umgeben. Mathematisch wird der Vorgang der Teilchenwechselwirkung durch eine lange Reihe von Korrekturen beschrieben, die jeweils die Wechselwirkung mittels virtueller Teilchen eines bestimmten Typs beschreiben (siehe: Feynman-Diagramme). So wird bei der Untersuchung der Kollision von Protonen indirekt auch die für die theoretische Physik hochinteressante Wechselwirkung von Materie mit hochenergetischen Photonen untersucht. 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. Bei Kernkollisionen ist aufgrund der großen elektrischen Ladung des Kerns der Einfluss elektromagnetischer Prozesse noch wichtiger. Prüfung exotischer Theorien Ende des 20. Jahrhunderts brachten Theoretiker eine Vielzahl ungewöhnlicher Ideen über den Aufbau der Welt vor, die zusammenfassend als „exotische Modelle“ bezeichnet werden. Dazu gehören Theorien mit starker Gravitation in der Größenordnung von etwa 1 TeV, Modelle mit einer Vielzahl von räumlichen Dimensionen, Preon-Modelle, in denen Quarks und Leptonen selbst aus Teilchen zusammengesetzt sind, 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.

Kandidat der physikalischen und mathematischen Wissenschaften E. LOZOVSKAYA.

Inwieweit kann ein Materiekorn, beispielsweise ein Sandkorn, zerkleinert werden? Woraus besteht die Welt um uns herum? Wie, wann und wo sind die Sterne, Planeten und alles andere entstanden? Diese Fragen beschäftigen die Menschen schon lange. Und je tiefer Wissenschaftler in die Geheimnisse der Natur eindringen, desto schwieriger werden wissenschaftliche Experimente.

Wissenschaft und Leben // Illustrationen

Wissenschaft und Leben // Illustrationen

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Wahrscheinlich hat jeder von uns mindestens einmal versucht, das Spielzeug zu zerlegen, um zu sehen, was sich darin befindet. Diese Neugier treibt auch Wissenschaftler an, die den Aufbau der Materie bis hin zu den elementarsten Bausteinen ergründen wollen. Und um solche Forschungen durchzuführen, entwerfen und bauen sie spezielle Versuchsanlagen - Beschleuniger.

An der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich, tief unter der Erde, gibt es einen riesigen kreisförmigen Tunnel. Seine Länge beträgt fast 27 km. Einst, in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts, wurde dieser Tunnel gegraben, damit Forscher des CERN - des Europäischen Zentrums für Kernforschung - darin Elektronen und Positronen auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigen konnten. Jetzt wurde in genau diesem Tunnel ein neuer Beschleuniger geschaffen, der Large Hadron Collider genannt wird.

Was ist das?

Das Wort „collider“ kommt vom englischen collide – kollidieren. In einem Collider fliegen zwei Teilchenstrahlen aufeinander zu, und bei der Kollision addieren sich die Energien der Strahlen. Bei herkömmlichen Beschleunigern trifft der Strahl auf ein unbewegliches Ziel und die Energie eines solchen Aufpralls ist viel geringer.

Warum heißt der Collider Hadron? Unter den Elementarteilchen gibt es eine Familie von Hadronen. Es umfasst Protonen und Neutronen, die die Kerne aller Atome bilden, sowie eine Vielzahl von Mesonen. Eine wichtige Eigenschaft von Hadronen ist, dass sie keine echten Elementarteilchen sind, sondern aus durch Gluonen „zusammengeklebten“ Quarks bestehen.

Nicht jedes Hadron kann in einem Hadronenkollider zerstreut werden, sondern nur eines, das eine elektrische Ladung hat. Zum Beispiel ist ein Neutron ein neutrales Teilchen, was aus dem Namen hervorgeht, und das elektromagnetische Feld wirkt nicht auf es ein. Daher werden die Hauptobjekte des Experiments Protonen (die Kerne von Wasserstoffatomen) und schwere Bleikerne sein.

Heute ist der Large Hadron Collider der leistungsstärkste der Welt. Mit ihrer Hilfe hoffen die Physiker, Protonen mit einer Energie von 7 TeV (Teraelektronenvolt, also 10 12 eV) zu erhalten. Das bedeutet, dass bei der Kollision eine Gesamtenergie von 14 TeV freigesetzt wird. Um diese Energie zu erreichen, müssen sich Protonen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen (genauer gesagt mit einer Geschwindigkeit von 0,999999991 der Lichtgeschwindigkeit). Außerdem wird jedes Proton in einer Sekunde den 27 Kilometer langen Ring 11.000 Mal durchfliegen! Ein Protonenstrahl kann 10 Stunden lang innerhalb des Colliders fliegen. In dieser Zeit wird er mehr als 10 Milliarden Kilometer überwinden – die Distanz zum Planeten Neptun und zurück.

Wie ist es angeordnet?

Entlang des gesamten Tunnels sind supraleitende Magnete installiert. Die Teilchen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt, das Magnetfeld lenkt sie auf eine Kreisbahn – sonst prallen sie gegen die Wand. Da Magnete nicht einfach, sondern supraleitend sind (nur sie ermöglichen es, die erforderlichen Magnetfeldwerte zu erreichen), müssen sie auf eine Temperatur von 1,9 K gekühlt werden, um zu funktionieren, was niedriger ist als die Temperatur im Weltraum (2,7 K). Um kosmische Kälte unter irdischen Bedingungen zu erhalten, müssen 120 Tonnen flüssiges Helium in die Kühlsysteme des Colliders gegossen werden.

Zwei Balken bewegen sich entlang zweier ringförmiger Rohre in entgegengesetzte Richtungen. Nichts sollte die Bewegung von Partikeln stören, daher wird die Luft aus den Rohren in ein tiefes Vakuum gepumpt. Kollisionen können nur an den vier Schnittpunkten der Rohre auftreten. Ein Frontalzusammenstoß zwischen zwei Teilchen ist ein eher seltenes Ereignis. Wenn sich zwei Strahlen mit jeweils 100 Milliarden Teilchen kreuzen, kollidieren nur 20 Teilchen. Da sich die Strahlen jedoch etwa 30 Millionen Mal pro Sekunde kreuzen, können 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde auftreten.

Warum wird es benötigt?

Die bisher bekannten Wechselwirkungen und Umwandlungen von Elementarteilchen werden durch eine Theorie namens Standardmodell gut beschrieben. Aber diese Theorie kann einige Fragen nicht beantworten. Es kann zum Beispiel nicht erklären, warum einige Teilchen eine große Masse haben, während andere sie überhaupt nicht haben. Es gibt eine Hypothese, dass ein spezielles Teilchen, das Higgs-Boson, für die Masse verantwortlich ist. Das wollen Physiker herausfinden, wenn hochenergetische Protonenstrahlen kollidieren. Möglicherweise hilft uns der Large Hadron Collider zu verstehen, was dunkle Materie und dunkle Energie sind, die nach Angaben von Astrophysikern mehr als 95 % aller Materie im Universum ausmachen.

In Kollisionen von Strahlen schwerer Kerne hoffen Physiker, die Voraussetzungen für den Urknall zu schaffen – den Ausgangspunkt für die Entwicklung des Universums. Es wird angenommen, dass in den ersten Augenblicken nach der Explosion nur Quark-Gluon-Plasma existierte. Nach einer hundertstel Mikrosekunde schlossen sich die Quarks zu dritt zu Protonen und Neutronen zusammen. Bisher ist es noch keinem Experiment gelungen, ein Proton zu „spalten“ und einzelne Quarks daraus herauszuschlagen. Aber wer weiß, vielleicht meistert der Large Hadron Collider diese Aufgabe – schließlich soll er beim Zusammenstoß von Bleikernen eine hunderttausendmal höhere Temperatur erreichen als im Zentrum der Sonne.

Wie sieht man das Unsichtbare?

Leider steht Wissenschaftlern kein Instrument zur Verfügung, das beispielsweise Quark-Gluon-Plasma direkt registrieren könnte: Nach einer unbedeutend kurzen Zeitspanne von 10 -23 Sekunden ist es spurlos verschwunden. Die Ergebnisse des Experiments müssen anhand der "Beweise" beurteilt werden - der Spuren, die die während des Experiments entstandenen Teilchen hinterlassen haben. Wie Physiker scherzen, ist es nicht einfacher, als das Aussehen der Grinsekatze aus seinem Lächeln nachzubilden.

Über Schwarze Löcher und das „Ende der Welt“

Um den Large Hadron Collider ranken sich viele Mythen. Sie sagen zum Beispiel, dass beim Zusammenstoß von Teilchen mit hoher Energie ein Schwarzes Loch entsteht, in das es unseren gesamten Planeten „ziehen“ kann, und das „Ende der Welt“ kommt. Tatsächlich ist die Energie von 14 TeV, was ein Rekord für die Elementarteilchenphysik ist, extrem klein - sie beträgt zwei Millionstel Joule. Um einen Liter Wasser zum Kochen zu bringen, würde die Energie von mehr als hundert Milliarden Proton-Proton-Kollisionen benötigt. Darüber hinaus wird die Erde seit Milliarden von Jahren von kosmischen Teilchen mit Energien bombardiert, die millionenfach größer sind als die Energie von Protonen im Beschleuniger. Und bisher hat es zu keinen schlimmen Folgen geführt. Einige Physiker glauben zwar, dass Schwarze Löcher im Collider erscheinen werden – aber mikroskopisch klein und sehr kurzlebig.

Energie wird in verschiedenen Einheiten gemessen – in Joule, Kalorien, Kilowattstunden. Das internationale SI-System umfasst nur das Joule. Aber in der Elementarteilchenphysik werden das Elektronenvolt und seine Ableitungen - KeV, MeV, GeV, TeV - am häufigsten zur Energiemessung verwendet. Das Elektronenvolt ist eine praktische Einheit. Es basiert auf der allgemein bekannten Vorstellung, dass ein einzelnes Elektron durch eine Potentialdifferenz von 1 Volt beschleunigt wird und dabei eine gewisse Energie erhält. 1 eV \u003d 1.6.10 -19 J. In Elektronenvolt wird nicht nur Energie gemessen, sondern auch Masse. Nach Einsteins berühmter Gleichung E=mc 2 sind Energie und Masse zwei Seiten derselben Medaille. Masse kann in Energie umgewandelt werden und umgekehrt. In einem Collider treten solche Transformationen bei jeder Kollision auf.

Die Tatsache, dass Materie aus unteilbaren Teilchen besteht - Atomen - wurde vom antiken griechischen Wissenschaftler Demokrit vorgeschlagen (übrigens bedeutet "Atom" im Altgriechischen "unteilbar"). Aber erst nach vielen Jahrhunderten haben Physiker bewiesen, dass dies der Fall ist. Dann stellte sich heraus, dass das Atom tatsächlich geteilt werden kann - es besteht aus Elektronen und einem Kern, und der Kern besteht aus Protonen und Neutronen. Sie sind aber, wie sich herausstellte, nicht die kleinsten Teilchen und bestehen wiederum aus Quarks. Physiker glauben, dass Quarks die Grenze der Materiespaltung sind und es auf der Welt nichts weniger gibt. Und die Quarks sind mit Hilfe von Gluonen (vom englischen Kleber - Leim) miteinander verbunden.

Teilchenphysik ist das Studium der kleinsten Objekte in der Natur. Die Größe eines Atoms beträgt 10 -10 m, die Größe eines Atomkerns 10 -14 m, die Größe eines Protons und eines Neutrons 10 -15 m, Elektronen sind kleiner als 10 -18 m und Quarks sind kleiner als 10 -19 m. Um diese Zahlen zu vergleichen, stellen Sie sich vor, dass der Durchmesser des Protons etwa 10 cm beträgt, dann sind die Elektronen und Quarks kleiner als 0,1 mm und das gesamte Atom hat einen Durchmesser von 10 km.