asennus, jossa sähkö- ja magneettikenttien avulla saadaan suunnattuja elektronien, protonien, ionien ja muiden varautuneiden hiukkasten säteitä, joiden energia on paljon lämpöenergiaa suurempi. Kiihtyvyysprosessissa hiukkasten nopeudet kasvavat usein arvoihin, jotka ovat lähellä valonnopeutta. Tällä hetkellä lukuisia pieniä kiihdyttimiä käytetään lääketieteessä (sädehoidossa) ja myös teollisuudessa (esimerkiksi ionien istuttamiseen puolijohteisiin). Suuria kiihdyttimiä käytetään pääasiassa tieteellisiin tarkoituksiin - ydinprosessien ja alkuainehiukkasten ominaisuuksien tutkimiseen ( Katso myös ALKISET HIUKSET).

Kvanttimekaniikan mukaan hiukkassäteelle, kuten valonsäteelle, on ominaista tietty aallonpituus. Mitä suurempi hiukkasten energia on, sitä lyhyempi tämä aallonpituus. Ja mitä lyhyempi aallonpituus, sitä pienempiä kohteita voidaan tutkia, mutta sitä suurempia kiihdyttimiä ja sitä monimutkaisempia ne ovat. Mikrokosmoksen tutkimuksen kehittäminen vaati yhä enemmän koetusäteen energiaa. Ensimmäiset korkeaenergisen säteilyn lähteet olivat luonnon radioaktiiviset aineet. Mutta he antoivat tutkijoille vain rajoitetun joukon hiukkasia, intensiteettejä ja energioita. 1930-luvulla tutkijat alkoivat työstää asennuksia, jotka voisivat tuottaa monipuolisempia säteitä. Tällä hetkellä on olemassa kiihdyttimiä, jotka mahdollistavat kaikenlaisen korkeaenergisen säteilyn saamisen. Jos tarvitaan esimerkiksi röntgen- tai gammasäteilyä, kiihdytetään elektroneja, jotka sitten lähettävät fotoneja bremsstrahlung- tai synkrotronisäteilyprosesseissa. Neutronit syntyvät pommittamalla sopivaa kohdetta voimakkaalla protoni- tai deuteronisäteellä.

Ydinhiukkasten energia mitataan elektronivolteina (eV). Elektronivoltti on energia, jonka varautunut hiukkanen hankkii kantaen yhtä alkuvarausta (elektronivarauksen) liikkuessaan sähkökentässä kahden pisteen välillä, joiden potentiaaliero on 1 V. energiaa tuhansista useisiin triljooneihin (10 12) ) elektronivolttia - maailman suurimmassa kiihdytin.

Harvinaisten prosessien havaitsemiseksi kokeessa on tarpeen lisätä signaali-kohinasuhdetta. Tämä vaatii yhä voimakkaampia säteilylähteitä. Nykyaikaisen kiihdytinteknologian kärjessä on kaksi pääparametria - hiukkassäteen energia ja intensiteetti.

Nykyaikaiset kiihdyttimet käyttävät lukuisia ja erilaisia ​​tekniikoita: suurtaajuusgeneraattoreita, nopeaa elektroniikkaa ja automaattisia ohjausjärjestelmiä, monimutkaisia ​​diagnostiikka- ja ohjauslaitteita, ultrakorkeat tyhjiölaitteet, tehokkaat tarkkuusmagneetit (sekä "tavalliset" että kryogeeniset) ja monimutkainen kohdistus ja kiinnitysjärjestelmät.

Valoshek P. Matka aineen syvyyksiin. HERA-kiihdyttimen avulla tiedon rajoihin. M., 1995

Löytö " HIUKKASKIIHDYTIN" päällä

Uudelleenkäynnistyksen ansiosta tutkijat voivat jatkaa antiaineen ainutlaatuisten ominaisuuksien tutkimista tarkemmin.

"Saamme jopa pystyä selvittämään, reagoiko antivety painovoimaan", Sevior sanoo. - Tämä on vaikea mutta mielenkiintoinen testi perusfysiikkaan. Odotamme antimateriaalin kiihtyvän vasteena painovoimalle samalla tavalla kuin aine, mutta kukaan ei ole tehnyt tätä aiemmin; jos ei, se voisi kääntää painovoiman työn päälaelleen."

Painovoiman ja aika-avaruuden lisäulottuvuuden tutkimus

Tiedemiehet haluavat ymmärtää, miksi painovoima eroaa niin paljon muista luonnonvoimista. On mahdollista, että emme tunne painovoiman koko vaikutusta, koska se leviää ylimääräisiin ulottuvuuksiin.

Tiedemiehet voivat hyvinkin oppia lisää näistä ylimääräisistä ulottuvuuksista tarkkailemalla hiukkasia, jotka voivat olla vain niissä ja ovat todellisia.

"Supersymmetrian asemesta pohjimmiltaan uutena fysiikkana voimme saada lisää ulottuvuuksia", Sevior sanoo. "Teoriat viittaavat siihen, että muissa ulottuvuuksissa voi olla raskaampia versioita standardihiukkasista - Kaluza-Klein-hiukkasista, joilla on enemmän massaa kuin standardihiukkasilla."

Nämä hiukkaset voidaan havaita vain suurienergisissa törmäyksissä.

Mustien aukkojen syntyminen

Mustat aukot ovat paikkoja, joissa painovoima on niin voimakas, ettei edes valo pääse karkaamaan.

Tähtien mustat aukot syntyvät, kun tähden massiivinen painovoima saa sen ytimen yhtäkkiä romahtamaan, romahtamaan itseensä ja luomaan pisteen, josta ei ole paluuta. Supermassiiviset mustat aukot galaksien keskuksissa voivat olla miljoonia tai miljardeja kertoja Auringon massasta.

Tutkijat ovat ehdottaneet, että mikroskooppisia tai kvanttimustia aukkoja, jotka ovat pienempiä kuin atomi, voisi olla olemassa, jos siellä olisi muita piilotettuja ulottuvuuksia.

Tähän mennessä LHC ei ole tuottanut mikroskooppisia mustia aukkoja, ja jos tekisi, ne olisivat niin pieniä, että ne haihtuisivat 10^-27 sekunnissa ja hajoaisivat tavallisiksi tai supersymmetrisiksi hiukkasiksi.

"Jos LHC luo mikroskooppisia mustia aukkoja, se olisi todiste ylimääräisistä mitoista ja niiden ulkonäön epätavalliset jäljet ​​olisi helppo havaita", Sevior sanoo.

Se, mitä tutkijat löytävät, riippuu ylimääräisten ulottuvuuksien lukumäärästä, mustan aukon massasta, mittojen koosta ja energiasta, jolla musta aukko muodostuu.

Onko hihnat?

Kuten mustat aukot, LHC:ssä on toinen teoreettinen vaara suurienergisiin törmäyksiin - tappaja-strangelet.

Strapelletit ("outot pisarat") ovat hypoteettisia subatomisia oudon aineen kappaleita, jotka koostuvat lähes kokonaan ylös-, ala- ja omituisista kvarkeista, jotka teorian mukaan muuttuvat vakaammiksi mitä enemmän ne kasvavat.

Eräs teoria ehdottaa, että kummalliset voivat muuttaa tavallista ainetta sekunnin tuhannesosassa, tuhoten maapallon ja muuttaen siitä jättiläismäisen tappajan kummallisen.

Mutta Sevior sanoo, että se on epätodennäköistä.

"Toivon, että löydämme sen, koska se on erittäin mielenkiintoinen. Ja en ole ollenkaan huolissani, koska Maata ja muita planeettoja pommitetaan korkeaenergisilla säteillä, ja jos tämä outo aine muuttaisi tavallisen aineen omituisiksi, se olisi tuhonnut kaikki miljardeja vuosia sitten kauan sitten.

"Se, että olemme edelleen täällä, on loistava todiste siitä, ettei ole mitään syytä huoleen."

Miten Large Hadron Collider toimii?

Maailman suurin hiukkaskiihdytin on 27 kilometriä pitkä maanalainen rengas, joka sijaitsee Ranskan ja Sveitsin rajalla.

10 miljardin dollarin laitos, jota ylläpitää Euroopan ydintutkimusjärjestö CERN, iskee subatomisia hiukkasia toisiinsa lähes valon nopeudella.

Törmäykseen käytetään kahta vierekkäistä putkea, voimakkailla suprajohtavilla sähkömagneeteilla varustettuja sädelinjoja, jotka on jäähdytetty nestemäisellä heliumilla alle -271 celsiusasteen lämpötiloihin. Tämä on planeetan suurin jääkaappi.

Nämä magneetit lähettävät protoneja tai atomiytimiä pitkin kutakin viivaa vastakkaisiin suuntiin. Hiukkasten törmäyksiä tapahtuu neljässä jättiläismäisessä maanalaisessa ilmaisimessa, jotka sijaitsevat sädelinjojen leikkauskohdissa.

Ensimmäiset protoninsäteet lähetettiin LHC-renkaan ympärille 10. syyskuuta 2008, mutta yhdeksän päivää myöhemmin sähkövika aiheutti nestemäisen heliumin vuotamisen ja räjähtämisen, mikä sulki laitoksen vuodeksi.

Marraskuussa 2009 kaikki alkoi uudestaan, mutta tehoa vähennettiin. Vuoden 2013 alussa LHC suljettiin tehon nostamiseksi 8 TeV:stä 14 TeV:iin. Elektronivoltti on energian mitta, jota käytetään hiukkasfysiikan alalla määrittämään energiamäärä, jonka yksi elektroni saa, kun sitä kiihdytetään yhdellä voltilla sähköpotentiaalierolla.

"Jos laukaistamme elektronin 1,5 voltin akun päästä, se saa 1,5 elektronivolttia kineettistä energiaa", Sevior sanoo. "Se on paljon heikompi kuin hyttysen purema, et huomaa sitä, mutta jos osut säteeseen megawatin energialla, se polttaa sinuun reiän."

Se etsii tapoja yhdistää kaksi perusteoriaa - GR (noin gravitaatiota) ja SM (standardimalli, joka yhdistää kolme fyysistä perusvuorovaikutusta - sähkömagneettinen, vahva ja heikko). Ratkaisun löytämistä ennen LHC:n luomista haittasivat kvanttigravitaation teorian luomisen vaikeudet.

Tämän hypoteesin rakentamiseen liittyy kahden fysikaalisen teorian yhdistäminen - kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria.

Tätä varten käytettiin useita nykyaikana suosittuja ja välttämättömiä lähestymistapoja - merkkijonoteoriaa, braneteoriaa, supergravitaatioteoriaa sekä kvanttigravitaation teoriaa. Ennen törmäimen rakentamista suurin ongelma tarvittavien kokeiden suorittamisessa oli energian puute, jota ei voida saavuttaa muilla nykyaikaisilla hiukkaskiihdyttimillä.

Geneven LHC antoi tutkijoille mahdollisuuden suorittaa aiemmin mahdottomia kokeita. Uskotaan, että lähitulevaisuudessa laitteen avulla monet fysikaaliset teoriat vahvistetaan tai kumotaan. Yksi ongelmallisimmista on supersymmetria tai merkkijonoteoria, joka jakoi fyysisen pitkään kahteen leiriin - "jousijoukkoon" ja heidän kilpailijoihinsa.

Muita peruskokeita, jotka suoritettiin osana LHC:n työtä

Mielenkiintoista on myös tutkijoiden tutkimus huippukvarkeista, jotka ovat eniten kvarkeja ja raskaimmat (173,1 ± 1,3 GeV / s²) kaikista tällä hetkellä tunnetuista alkuainehiukkasista.

Tämän ominaisuuden vuoksi tutkijat pystyivät jo ennen LHC:n luomista tarkkailemaan kvarkeja vain Tevatron-kiihdytinssä, koska muilla laitteilla ei yksinkertaisesti ollut tarpeeksi tehoa ja energiaa. Kvarkkiteoria puolestaan ​​on tärkeä osa sensaatiomaista Higgsin bosonihypoteesia.

Kaikki kvarkkien luomista ja ominaisuuksien tutkimista koskevat tieteellinen tutkimus tehdään LHC:n huippukvarkki-antikvarkkihöyryhuoneessa.

Geneve-projektin tärkeä tavoite on myös sähköheikon symmetrian mekanismin tutkiminen, joka liittyy myös Higgsin bosonin olemassaolon kokeelliseen todistamiseen. Jos määrittelemme ongelman tarkemmin, niin tutkimuksen kohteena ei ole niinkään itse bosoni, vaan Peter Higgsin ennustama sähköheikon vuorovaikutuksen symmetrian rikkomismekanismi.

LHC:n puitteissa tehdään myös kokeita supersymmetrian etsimiseksi - ja haluttu tulos on sekä todiste teorialle, jonka mukaan minkä tahansa alkuainehiukkasen mukana on aina painavampi kumppani, että sen kumoaminen.

Lyhennetty LHC (Large Hadron Collider, lyhennetty LHC) on törmäyssäteiden varautunut hiukkaskiihdytin, joka on suunniteltu kiihdyttämään protoneja ja raskaita ioneja (lyijy-ioneja) ja tutkimaan niiden törmäystuloksia. Törmäyskone rakennettiin CERNissä (European Council for Nuclear Research), joka sijaitsee lähellä Geneveä, Sveitsin ja Ranskan rajalla. LHC on maailman suurin koelaitos. Yli 10 000 tutkijaa ja insinööriä yli 100 maasta on osallistunut ja osallistuu rakentamiseen ja tutkimukseen.

Se on nimetty suureksi koonsa vuoksi: kaasupolkimen päärenkaan pituus on 26 659 m; hadroni - johtuen siitä, että se kiihdyttää hadroneja, eli kvarkista koostuvia raskaita hiukkasia; törmäyskone (eng. collider - törmäyskone) - johtuu siitä, että hiukkassäteet kiihtyvät vastakkaisiin suuntiin ja törmäävät erityisissä törmäyspisteissä.

Tekniset tiedot

Kiihdytin on tarkoitus törmätä protoneja, joiden kokonaisenergia on 14 TeV (eli 14 teraelektronivolttia tai 14 1012 elektronivolttia) massakeskipisteessä sattuvien hiukkasten järjestelmässä sekä lyijyytimiä, joiden energia on 5 GeV (5 109). elektronivoltit) jokaiselle törmäävälle nukleoniparille. Vuoden 2010 alussa LHC oli jo jonkin verran ohittanut protonienergian edellisen mestarin - protoni-antiprotoni-törmäyttimen Tevatronin, joka työskenteli vuoden 2011 loppuun asti National Accelerator Laboratoryssa. Enrico Fermi (USA). Huolimatta siitä, että laitteiston säätö venyy vuosia eikä sitä ole vielä saatu päätökseen, LHC:stä on jo tullut maailman energiaisimman hiukkaskiihdytin, joka ohittaa energialtaan muut törmäajat, mukaan lukien RHIC:n relativistinen raskas ioni. törmäyskone, joka toimii Brookhaven Laboratoryssa (USA). ).

LHC:n kirkkaus ajon ensimmäisten viikkojen aikana oli korkeintaan 1029 hiukkasta/cm 2 s, mutta se jatkaa kasvuaan jatkuvasti. Tavoitteena on saavuttaa nimellisluminositeetti 1,7·1034 hiukkasta/cm 2 s, joka on suuruusluokkaa yhtä suuri kuin BaBarin (SLAC, USA) ja Bellen (englanti) (KEK, Japani) luminositeetti.

Kiihdytin sijaitsee samassa tunnelissa, jossa aiemmin suuri elektroni-positronitörmäitin ​​oli käytössä. Tunneli, jonka ympärysmitta oli 26,7 kilometriä, laskettiin maan alle Ranskassa ja Sveitsissä. Tunnelin syvyys on 50-175 metriä, ja tunnelin rengas on noin 1,4 % kalteva suhteessa maan pintaan. Protonisäteiden pitämiseen, korjaamiseen ja tarkentamiseen käytetään 1624 suprajohtavaa magneettia, joiden kokonaispituus on yli 22 km. Magneetit toimivat lämpötilassa 1,9 K (-271 °C), mikä on hieman heliumin supernesteen lämpötilaa alempi.

LHC ilmaisimet

LHC:ssä on 4 pää- ja 3 lisäilmaisinta:

• ALICE (suuri ionitörmätinkoe)
• ATLAS (Toroidaalinen LHC-laite)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider -kauneuskoe)
• TOTEM (TOTAL elastinen ja diffraktiivinen poikkileikkausmittaus)
• LHCf (The Large Hadron Collider eteenpäin)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb ovat suuria ilmaisimia, jotka sijaitsevat säteen törmäyspisteiden ympärillä. TOTEM- ja LHCf-ilmaisimet ovat apu-ilmaisimia, jotka sijaitsevat useiden kymmenien metrien etäisyydellä CMS- ja ATLAS-ilmaisimien käyttämistä säteen leikkauspisteistä, ja niitä käytetään yhdessä pääilmaisimien kanssa.

ATLAS- ja CMS-ilmaisimet ovat yleiskäyttöisiä ilmaisimia, jotka on suunniteltu etsimään Higgsin bosonia ja "epästandardista fysiikkaa", erityisesti pimeää ainetta, ALICE - tutkimaan kvarkki-gluoniplasmaa raskaissa lyijy-ionien törmäyksissä, LHCb - tutkimaan fysiikkaa b-kvarkeista, mikä auttaa ymmärtämään paremmin aineen ja antiaineen välisiä eroja, TOTEM on suunniteltu tutkimaan hiukkasten sirontaa pienissä kulmissa, kuten tapahtuu lähietäisyyksillä ilman törmäyksiä (ns. ei-törmäytyvät hiukkaset, eteenpäin hiukkaset), jonka avulla voit mitata tarkemmin protonien kokoa sekä hallita törmäimen kirkkautta, ja lopuksi LHCf - kosmisten säteiden tutkimukseen, joka on mallinnettu samoilla törmäämättömillä hiukkasilla.

Seitsemäs ilmaisin (koe) MoEDAL, joka on suunniteltu etsimään hitaasti liikkuvia raskaita hiukkasia, liittyy myös LHC:n toimintaan.

Törmäimen toiminnan aikana törmäykset tapahtuvat samanaikaisesti kaikissa neljässä säteiden leikkauspisteessä, riippumatta kiihdytettyjen hiukkasten tyypistä (protonit tai ytimet). Samaan aikaan kaikki ilmaisimet keräävät tilastoja samanaikaisesti.

Hiukkasten kiihtyvyys törmäyksessä

LHC:ssä olevien hiukkasten nopeus törmäyssäteillä on lähellä valon nopeutta tyhjiössä. Hiukkasten kiihdytys niin suuriin energioihin saavutetaan useissa vaiheissa. Ensimmäisessä vaiheessa matalaenergiaiset Linac 2- ja Linac 3 -lineaarikiihdyttimet ruiskuttavat protoneja ja lyijy-ioneja lisäkiihdytystä varten. Sitten hiukkaset menevät PS-vahvistimeen ja sitten itse PS:ään (protonisynkrotroniin) hankkien 28 GeV:n energiaa. Tällä energialla ne liikkuvat jo nopeudella, joka on lähellä valoa. Sen jälkeen hiukkaskiihtyvyys jatkuu SPS:ssä (Proton Super Synchrotron), jossa hiukkasenergia saavuttaa 450 GeV. Sitten protoninippu lähetetään 26,7 kilometrin päärenkaaseen nostaen protonien energian enintään 7 TeV:iin, ja törmäyspisteissä ilmaisimet tallentavat tapahtuvat tapahtumat. Kaksi törmäävää protonisädettä voi täysin täytettynä sisältää 2808 kimppua. Kiihdytysprosessin virheenkorjauksen alkuvaiheessa vain yksi nippu kiertää useita senttejä pitkässä ja poikittaiskooltaan pienikokoisessa nipussa. Sitten he alkavat lisätä hyytymien määrää. Klusterit sijaitsevat kiinteissä asennoissa toisiinsa nähden, jotka liikkuvat synkronisesti kehää pitkin. Tietyssä järjestyksessä olevat kokkarit voivat törmätä neljässä renkaan kohdassa, joissa hiukkasilmaisimet sijaitsevat.

LHC:n kaikkien hadronikimpun kineettinen energia, kun se on täysin täytetty, on verrattavissa suihkukoneen kineettiseen energiaan, vaikka kaikkien hiukkasten massa ei ylitä nanogrammaa eikä niitä edes näe paljaalla silmällä. Tällainen energia saavutetaan johtuen hiukkasten nopeudesta, joka on lähellä valonnopeutta.

Kimput käyvät kaasupolkimen täyden ympyrän läpi nopeammin kuin 0,0001 sekuntia tehden siten yli 10 tuhatta kierrosta sekunnissa

LHC:n tavoitteet ja tavoitteet

Large Hadron Colliderin päätehtävänä on selvittää maailmamme rakenne alle 10–19 metrin etäisyyksiltä "tutkimalla" sitä hiukkasilla, joiden energia on useita TeV. Tähän mennessä on jo kertynyt paljon epäsuoraa näyttöä siitä, että tässä mittakaavassa fyysikkojen pitäisi avata tietty "uusi todellisuuskerros", jonka tutkiminen antaa vastauksia moniin perusfysiikan kysymyksiin. Mitä tämä todellisuuskerros tarkalleen ottaen tulee olemaan, ei tiedetä etukäteen. Teoreetikot ovat tietysti jo ehdottaneet satoja erilaisia ​​ilmiöitä, joita voitaisiin havaita useiden TeV:n törmäysenergioissa, mutta se on koe, joka näyttää, mitä luonnossa todella tapahtuu.

Etsi uutta fysiikkaa Vakiomallia ei voida pitää alkeishiukkasten lopullisena teoriana. Sen täytyy olla osa jotain syvempää teoriaa mikromaailman rakenteesta, se osa, joka näkyy törmäyskokeissa alle 1 TeV:n energioissa. Tällaisia ​​teorioita kutsutaan yhteisesti "uudeksi fysiikaksi" tai "standardin mallin ulkopuolelle". Large Hadron Colliderin päätehtävä on saada ainakin ensimmäiset vihjeet siitä, mikä tämä syvemmälle teorialle on kyse. Perusvuorovaikutusten yhdistämiseksi edelleen yhteen teoriaan käytetään erilaisia ​​lähestymistapoja: M-teoriassa kehitetty merkkijonoteoria (braaniteoria), supergravitaatioteoria, silmukan kvanttigravitaatio jne. Joillakin niistä on sisäisiä ongelmia, eikä missään ole. kokeellinen vahvistus. Ongelmana on, että vastaavien kokeiden suorittamiseen tarvitaan energioita, joita ei voida saavuttaa nykyaikaisilla hiukkaskiihdyttimillä. LHC mahdollistaa kokeet, jotka olivat aiemmin mahdottomia, ja todennäköisesti vahvistaa tai kumoaa osan näistä teorioista. Siten on olemassa koko joukko fysikaalisia teorioita, joiden mitat ovat yli neljä ja jotka viittaavat "supersymmetrian" olemassaoloon - esimerkiksi merkkijonoteoria, jota joskus kutsutaan supermerkkijonoteoriaksi juuri siksi, että ilman supersymmetriaa se menettää fyysisen merkityksensä. Supersymmetrian olemassaolon vahvistaminen olisi siten epäsuora vahvistus näiden teorioiden totuudelle. Huippukvarkkien tutkiminen Huippukvarkki on raskain kvarkki ja lisäksi raskain tähän mennessä löydetty alkuainehiukkanen. Tevatronin uusimpien tulosten mukaan sen massa on 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Suuren massansa vuoksi huippukvarkkia on toistaiseksi havaittu vain yhdessä kiihdyttimessä, Tevatronissa, muilta kiihdyttimiltä yksinkertaisesti puuttui energia sen tuottamiseen. Lisäksi huippukvarkit kiinnostavat fyysikoita ei pelkästään sinänsä, vaan myös "työvälineenä" Higgsin bosonin tutkimisessa. Yksi tärkeimmistä kanavista Higgsin bosonin tuotantoon LHC:ssä on assosiatiivinen tuotanto yhdessä huippukvarkki-antikvarkkiparin kanssa. Jotta tällaiset tapahtumat voidaan luotettavasti erottaa taustasta, on ensin tutkittava itse huippukvarkkien ominaisuuksia. Sähköheikon symmetrian mekanismin tutkiminen Yksi projektin päätavoitteista on todistaa kokeellisesti skotlantilaisen fyysikon Peter Higgsin vuonna 1964 Standardimallin puitteissa ennustaman Higgsin bosonin olemassaolo. Higgsin bosoni on niin sanotun Higgsin kentän kvantti, jonka läpi kulkiessaan hiukkaset kokevat vastustusta, jota edustamme massan korjauksina. Bosoni itsessään on epävakaa ja sillä on suuri massa (yli 120 GeV/c2). Itse asiassa fyysikot eivät ole niinkään kiinnostuneita itse Higgsin bosonista, vaan Higgsin mekanismista sähköheikon vuorovaikutuksen symmetrian rikkomisessa. Kvarkki-gluoniplasman tutkimus Odotetaan, että noin kuukausi vuodessa vietetään kiihdyttimessä ydintörmäystilassa. Tämän kuukauden aikana törmäyskone kiihtyy ja törmää ilmaisimissa, ei protoneja, vaan lyijyytimiä. Kahden ytimen joustamattomassa törmäyksessä ultrarelativistisilla nopeuksilla muodostuu lyhyen aikaa tiheä ja erittäin kuuma ydinainepala, joka sitten hajoaa. Tässä tapauksessa tapahtuvien ilmiöiden (aineen siirtyminen kvarkkigluoniplasman tilaan ja sen jäähtyminen) ymmärtäminen on välttämätöntä vahvemman teorian rakentamiseksi vahvoista vuorovaikutuksista, josta on hyötyä sekä ydinfysiikassa että astrofysiikassa. Supersymmetrian etsintä LHC:n kokeiden ensimmäinen merkittävä tieteellinen saavutus voi olla "supersymmetrian" - teorian, jonka mukaan kaikilla alkuainehiukkasilla on paljon raskaampi kumppani eli "superpartikkeli" - todiste tai kumoaminen. Fotoni-hadronin ja fotoni-fotoni törmäysten tutkiminen Hiukkasten sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvataan (joissakin tapauksissa virtuaalisten) fotonien vaihdoksena. Toisin sanoen fotonit ovat sähkömagneettisen kentän kantajia. Protonit ovat sähköisesti varattuja ja niitä ympäröi sähköstaattinen kenttä, ja tätä kenttää voidaan pitää virtuaalisten fotonien pilvenä. Mikä tahansa protoni, erityisesti relativistinen protoni, sisältää virtuaalihiukkasten pilven olennaisena osana. Kun protonit törmäävät toisiinsa, kutakin protonia ympäröivät virtuaalihiukkaset ovat myös vuorovaikutuksessa. Matemaattisesti hiukkasten vuorovaikutuksen prosessia kuvataan pitkällä sarjalla korjauksia, joista jokainen kuvaa vuorovaikutusta tietyn tyyppisten virtuaalihiukkasten avulla (katso: Feynman-kaaviot). Siten protonien törmäystä tutkittaessa tutkitaan epäsuorasti myös aineen vuorovaikutusta korkeaenergisten fotonien kanssa, mikä on erittäin kiinnostavaa teoreettisen fysiikan kannalta. Tarkastellaan myös erityistä reaktioiden luokkaa - kahden fotonin suoraa vuorovaikutusta, jotka voivat törmätä sekä vastaantulevan protonin kanssa, jolloin syntyy tyypillisiä fotoni-hadron-törmäyksiä, että keskenään. Ydintörmäystilassa ytimen suuren sähkövarauksen vuoksi sähkömagneettisten prosessien vaikutus on vielä tärkeämpi. Eksoottisten teorioiden testaaminen Teoreetikot 1900-luvun lopulla esittivät valtavan määrän epätavallisia ajatuksia maailman rakenteesta, joita kutsutaan yhteisesti "eksoottisiksi malleiksi". Näitä ovat teoriat, joissa on voimakas painovoima noin 1 TeV asteikolla, mallit, joissa on suuri määrä tilaulottuvuuksia, preonimallit, joissa kvarkit ja leptonit koostuvat itse hiukkasista, malleja, joissa on uudenlaisia ​​vuorovaikutuksia. Tosiasia on, että kertyneet kokeelliset tiedot eivät vieläkään riitä yhden teorian luomiseen. Ja kaikki nämä teoriat itsessään ovat yhteensopivia saatavilla olevien kokeellisten tietojen kanssa. Koska nämä teoriat voivat tehdä erityisiä ennusteita LHC:lle, kokeilijat aikovat testata ennusteita ja etsiä tiedoistaan ​​tiettyjen teorioiden jälkiä. On odotettavissa, että kiihdyttimellä saadut tulokset voivat rajoittaa teoreetikkojen mielikuvitusta ja sulkea osan ehdotetuista rakenteista. Muut Sen odotetaan myös havaitsevan standardimallin ulkopuolisia fyysisiä ilmiöitä. Suunnitelmissa on tutkia W- ja Z-bosonien ominaisuuksia, ydinvuorovaikutuksia superkorkeilla energioilla, raskaiden kvarkkien (b ja t) muodostumis- ja hajoamisprosesseja.

Fysikaalisten ja matemaattisten tieteiden kandidaatti E. LOZOVSKAYA.

Missä määrin aineen jyvä, kuten hiekkajyvä, voidaan murskata? Mistä maailma ympärillämme on tehty? Miten, milloin ja mistä tähdet, planeetat ja kaikki muu tulivat? Nämä kysymykset ovat vaivanneet ihmisiä jo pitkään. Ja mitä syvemmälle tiedemiehet tunkeutuvat luonnon salaisuuksiin, sitä vaikeammaksi tieteelliset kokeet muuttuvat.

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Todennäköisesti jokainen meistä yritti ainakin kerran purkaa lelun nähdäkseen, mitä sen sisällä on. Tällainen uteliaisuus ajaa myös tutkijat, jotka pyrkivät selvittämään aineen rakennetta alkeellisimpiin rakennuspalikoihin. Ja tällaisen tutkimuksen suorittamiseksi he suunnittelevat ja rakentavat erityisiä kokeellisia tiloja - kiihdyttimiä.

Sveitsin ja Ranskan rajalla syvällä maan alla on valtava pyöreä tunneli. Sen pituus on lähes 27 km. Kerran, 1980-luvulla, tämä tunneli kaivettiin, jotta CERNin – Euroopan ydintutkimuskeskuksen – tutkijat voisivat kiihdyttää siinä olevia elektroneja ja positroneja valtaviin nopeuksiin. Nyt juuri tähän tunneliin on luotu uusi kiihdytin, jota kutsutaan Large Hadron Collideriksi.

Mikä se on?

Sana "collider" tulee englannin sanasta collide - collide. Törmäyksessä kaksi hiukkassädettä lentää toisiaan kohti, ja törmäyksessä säteiden energiat summautuvat. Perinteisissä kiihdyttimissä säde osuu liikkumattomaan kohteeseen ja tällaisen törmäyksen energia on paljon pienempi.

Miksi törmäyskonetta kutsutaan hadroniksi? Alkuainehiukkasten joukossa on hadronien perhe. Se sisältää protoneja ja neutroneja, jotka muodostavat kaikkien atomien ytimet, sekä erilaisia ​​mesoneja. Tärkeä hadronien ominaisuus on, että ne eivät todellakaan ole alkuainehiukkasia, vaan koostuvat gluonien "yhteenliimamista" kvarkeista.

Kaikkia hadroneja ei voi hajottaa hadronitörmätäjään, vaan vain sellaista, jolla on sähkövaraus. Esimerkiksi neutroni on neutraali hiukkanen, mikä käy ilmi nimestä, eikä sähkömagneettinen kenttä vaikuta siihen. Siksi kokeen pääkohteet ovat protonit (vetyatomien ytimet) ja raskaat lyijyytimet.

Nykyään Large Hadron Collider on maailman tehokkain. Sen avulla fyysikot toivovat saavansa protoneja, joiden energia on 7TeV (teraelektronivoltti eli 10 12 eV). Tämä tarkoittaa, että törmäyksen aikana vapautuu yhteensä 14 TeV energiaa. Tämän energian saavuttamiseksi protonien täytyy kulkea melkein valon nopeudella (tarkemmin sanottuna nopeudella, joka on 0,999999991 valon nopeudesta). Lisäksi jokainen protoni lentää sekunnissa 27 kilometrin renkaan läpi 11 000 kertaa! Protonisäde voi lentää törmätimen sisällä 10 tuntia. Tänä aikana hän ylittää yli 10 miljardia kilometriä - etäisyyden Neptunukseen ja takaisin.

Miten se on järjestetty?

Suprajohtavat magneetit on asennettu koko tunnelin alueelle. Hiukkaset kiihtyvät sähkökentässä, ja magneettikenttä ohjaa ne ympyrämäistä reittiä pitkin - muuten ne törmäävät seinään. Koska magneetit eivät ole yksinkertaisia, vaan suprajohtavia (vain ne mahdollistavat vaadittujen magneettikenttäarvojen saavuttamisen), ne on jäähdytettävä toimiakseen 1,9 K:n lämpötilaan, joka on alhaisempi kuin ulkoavaruuden lämpötila (2,7 K). Kosmisen kylmän saamiseksi maanpäällisissä olosuhteissa on kaadettava 120 tonnia nestemäistä heliumia törmäimen jäähdytysjärjestelmiin.

Kaksi palkkia liikkuu vastakkaisiin suuntiin kahta rengasmaista putkea pitkin. Mikään ei saa häiritä hiukkasten liikkumista, joten ilma putkista pumpataan syvään tyhjiöön. Törmäyksiä voi tapahtua vain neljässä pisteessä, joissa putket leikkaavat. Kahden hiukkasen yhteentörmäys on melko harvinainen tapahtuma. Kun kaksi 100 miljardin hiukkasen sädettä risteää, vain 20 hiukkasta törmää. Mutta koska säteet ylittävät noin 30 miljoonaa kertaa sekunnissa, 600 miljoonaa törmäystä voi tapahtua sekunnissa.

Miksi sitä tarvitaan?

Tähän mennessä tunnettujen alkuainehiukkasten vuorovaikutusta ja muunnoksia kuvaa hyvin standardimalliksi kutsuttu teoria. Mutta tämä teoria ei voi vastata joihinkin kysymyksiin. Se ei esimerkiksi voi selittää, miksi joillakin hiukkasilla on suuri massa, kun taas toisilla ei ole sitä ollenkaan. On olemassa hypoteesi, että erityinen hiukkanen, Higgsin bosoni, on vastuussa massasta. Tämän fyysikot toivovat löytävänsä, kun korkeaenergiset protonisäteet törmäävät. On mahdollista, että Large Hadron Collider auttaa meitä ymmärtämään, mitä pimeä aine ja pimeä energia ovat, jotka astrofyysikkojen mukaan muodostavat yli 95% kaikesta maailmankaikkeuden aineesta.

Raskaiden ytimien säteiden törmäyksissä fyysikot toivovat luovansa olosuhteet alkuräjähdykselle - maailmankaikkeuden kehityksen lähtöpisteelle. Uskotaan, että ensimmäisinä hetkinä räjähdyksen jälkeen oli olemassa vain kvarkkigluoniplasmaa. Mikrosekunnin sadasosan jälkeen kvarkit yhdistyivät kolmeen osaan muodostaen protoneja ja neutroneja. Toistaiseksi mikään kokeilu ei ole onnistunut "halkaisemaan" protonia ja tyrmäämään siitä yksittäisiä kvarkeja. Mutta kuka tietää, ehkä Suuri hadronitörmätin selviytyy tästä tehtävästä - loppujen lopuksi lyijyytimien törmäyksessä sen oletetaan saavuttavan lämpötilan, joka on satatuhatta kertaa korkeampi kuin Auringon keskipisteen lämpötila.

Kuinka nähdä näkymätön?

Valitettavasti tiedemiehillä ei ole käytössään instrumenttia, joka pystyisi rekisteröimään suoraan esimerkiksi kvarkkigluoniplasman: merkityksettömän lyhyen 10-23 sekunnin kuluttua se katoaa jälkeämättä. Kokeen tulokset on arvioitava "todisteiden" - kokeen aikana syntyneiden hiukkasten jättämien jälkien - perusteella. Kuten fyysikot vitsailevat, se ei ole helpompaa kuin luoda Cheshire Catin ulkonäkö hänen hymystään.

Tietoja mustista aukoista ja "maailman lopusta"

Suureen hadronitörmäyttimeen liittyy monia myyttejä. Esimerkiksi he sanovat, että kun korkeaenergiaiset hiukkaset törmäävät, muodostuu musta aukko, johon se voi "vetää" koko planeettamme, ja "maailmanloppu" tulee. Itse asiassa 14 TeV:n energia, joka on alkuainehiukkasfysiikan ennätys, on erittäin pieni - se on kaksi joulen miljoonasosaa. Yhden litran vettä kiehuminen vaatisi yli sadan miljardin protoni-protoni törmäyksen energian. Lisäksi maata on pommitettu miljardeja vuosia kosmisilla hiukkasilla energialla, joka on miljoonia kertoja suurempi kuin kiihdyttimen protonien energia. Ja toistaiseksi se ei ole johtanut kauheisiin seurauksiin. Totta, jotkut fyysikot uskovat, että törmätimeen ilmestyy mustia aukkoja - mutta mikroskooppisia ja hyvin lyhytikäisiä.

Energiaa mitataan eri yksiköissä - jouleina, kaloreina, kilowattitunteina. Kansainvälinen SI-järjestelmä sisältää vain joulen. Mutta alkeishiukkasfysiikassa elektronivolttia ja sen johdannaisia ​​- KeV, MeV, GeV, TeV - käytetään useimmiten energian mittaamiseen. Elektronivoltti on kätevä yksikkö. Se perustuu hyvin ymmärrettävään käsitykseen, että yksi elektroni kiihtyy 1 voltin potentiaalierolla ja hankkii prosessissa tietyn määrän energiaa. 1 eV \u003d 1.6.10 -19 J. Elektronivolteissa ei mitata vain energiaa, vaan myös massaa. Einsteinin kuuluisan yhtälön E=mc 2 mukaan energia ja massa ovat saman kolikon kaksi puolta. Massa voidaan muuttaa energiaksi ja päinvastoin. Törmäyksessä tällaisia ​​muutoksia tapahtuu jokaisen törmäyksen yhteydessä.

Sen tosiasian, että aine koostuu jakamattomista hiukkasista - atomeista, ehdotti muinainen kreikkalainen tiedemies Demokritos (muuten "atomi" muinaisessa kreikassa tarkoittaa "jakamatonta"). Mutta vasta vuosisatojen jälkeen fyysikot osoittivat, että näin on. Sitten kävi ilmi, että atomi voidaan todella jakaa - se koostuu elektroneista ja ytimestä, ja ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Mutta ne, kuten kävi ilmi, eivät ole pienimpiä hiukkasia ja koostuvat puolestaan ​​kvarkeista. Fyysikot uskovat, että kvarkit ovat aineen fission raja, eikä maailmassa ole mitään vähempää. Ja kvarkit yhdistetään toisiinsa gluonien avulla (englanninkielisestä liimasta - liima).

Hiukkasfysiikka on luonnon pienimpien esineiden tutkimusta. Atomin koko on 10 -10 m, atomin ytimen koko on 10 -14 m, protonin ja neutronin koko on 10 -15 m, elektronien koko on alle 10 -18 m ja kvarkkien koko on pienempi kuin 10 -19 m. Vertaaksesi näitä lukuja, kuvittele, että protonin halkaisija on noin 10 cm. Silloin elektronit ja kvarkit ovat alle 0,1 mm ja koko atomin halkaisija on 10 km.