instalasi di mana, dengan bantuan medan listrik dan magnet, diperoleh berkas elektron, proton, ion, dan partikel bermuatan lainnya dengan energi yang jauh lebih tinggi daripada energi panas. Dalam proses percepatan, kecepatan partikel meningkat, seringkali mendekati nilai kecepatan cahaya. Saat ini, banyak akselerator kecil digunakan dalam pengobatan (terapi radiasi) dan juga dalam industri (misalnya, untuk implantasi ion dalam semikonduktor). Akselerator besar digunakan terutama untuk tujuan ilmiah - untuk mempelajari proses subnuklear dan sifat-sifat partikel elementer ( Lihat juga PARTIKEL DASAR).

Menurut mekanika kuantum, berkas partikel, seperti berkas cahaya, dicirikan oleh panjang gelombang tertentu. Semakin besar energi partikel, semakin pendek panjang gelombang ini. Dan semakin pendek panjang gelombang, semakin kecil objek yang dapat diselidiki, tetapi semakin besar ukuran akselerator dan semakin kompleks mereka. Pengembangan penelitian ke dalam mikrokosmos membutuhkan energi yang lebih besar dari balok penyelidik. Sumber pertama radiasi energi tinggi adalah zat radioaktif alami. Tetapi mereka hanya memberi peneliti seperangkat partikel, intensitas, dan energi yang terbatas. Pada 1930-an, para ilmuwan mulai mengerjakan instalasi yang dapat menghasilkan lebih banyak balok. Saat ini, ada akselerator yang memungkinkan untuk memperoleh segala jenis radiasi berenergi tinggi. Jika, misalnya, sinar-x atau radiasi gamma diperlukan, maka elektron dipercepat, yang kemudian memancarkan foton dalam proses radiasi bremsstrahlung atau sinkrotron. Neutron dihasilkan dengan membombardir target yang sesuai dengan sinar proton atau deuteron yang intens.

Energi partikel nuklir diukur dalam elektron volt (eV). Elektron volt adalah energi yang diperoleh partikel bermuatan, membawa satu muatan dasar (muatan elektron), ketika bergerak dalam medan listrik antara dua titik dengan beda potensial 1 V. energi dalam kisaran dari ribuan hingga beberapa triliun (10 12 ) elektron volt - di akselerator terbesar di dunia.

Untuk mendeteksi proses langka dalam sebuah eksperimen, perlu untuk meningkatkan rasio signal-to-noise. Ini membutuhkan sumber radiasi yang lebih dan lebih intens. Kecanggihan teknologi akselerator modern ditentukan oleh dua parameter utama - energi dan intensitas berkas partikel.

Akselerator modern menggunakan banyak dan beragam jenis teknologi: generator frekuensi tinggi, elektronik berkecepatan tinggi dan sistem kontrol otomatis, perangkat diagnostik dan kontrol yang kompleks, peralatan vakum ultra-tinggi, magnet presisi yang kuat (baik "biasa" dan kriogenik) dan penyelarasan kompleks dan sistem pengikat.

Valoshek P. Perjalanan ke kedalaman materi. Dengan akselerator HERA ke batas pengetahuan. M., 1995

Mencari " AKSELERATOR PARTIKEL" pada

Restart akan memungkinkan para ilmuwan untuk terus mempelajari sifat-sifat unik antimateri secara lebih rinci.

“Kami bahkan mungkin dapat mengetahui apakah antihidrogen bereaksi terhadap gravitasi,” kata Sevior. - Ini adalah tes yang sulit tetapi menarik untuk fisika dasar. Kami berharap antimateri berakselerasi sebagai respons terhadap gravitasi dengan cara yang sama seperti materi, tetapi belum ada yang melakukan ini sebelumnya; jika tidak, itu bisa mengubah kerja gravitasi di atas kepalanya.”

Studi tentang gravitasi dan dimensi ekstra ruang-waktu

Para ilmuwan ingin memahami mengapa gravitasi sangat berbeda dari kekuatan alam lainnya. Ada kemungkinan bahwa kita tidak merasakan efek penuh gravitasi karena menyebar ke dimensi ekstra.

Para ilmuwan mungkin belajar lebih banyak tentang dimensi ekstra ini dengan mengamati partikel yang hanya ada di dalamnya dan nyata.

“Alih-alih supersimetri sebagai fisika baru yang fundamental, kita bisa mendapatkan dimensi tambahan,” kata Sevior. "Teori menunjukkan bahwa di dimensi lain mungkin ada versi partikel standar yang lebih berat - partikel Kaluza-Klein, yang memiliki massa lebih banyak daripada partikel standar."

Partikel-partikel ini hanya dapat dideteksi dalam tumbukan berenergi tinggi.

Penciptaan lubang hitam

Lubang hitam adalah tempat di mana gravitasi begitu kuat sehingga bahkan cahaya pun tidak bisa lolos.

Lubang hitam bintang tercipta ketika gravitasi besar bintang menyebabkan intinya tiba-tiba runtuh, runtuh ke dalam dirinya sendiri, menciptakan titik tidak bisa kembali. Lubang hitam supermasif di pusat galaksi bisa jutaan atau miliaran kali massa matahari.

Para ilmuwan telah menyarankan bahwa lubang hitam mikroskopis atau kuantum, yang lebih kecil dari atom, bisa ada jika ada dimensi tersembunyi tambahan.

Sampai sekarang, LHC belum menghasilkan lubang hitam mikroskopis, dan jika itu terjadi, mereka akan sangat kecil sehingga akan menguap dalam 10^-27 detik, meluruh menjadi partikel biasa atau supersimetris.

“Jika LHC memang membuat lubang hitam mikroskopis, itu akan menjadi bukti adanya dimensi ekstra, dan jejak yang tidak biasa dari penampilannya akan mudah dikenali,” kata Sevior.

Apa yang ditemukan para ilmuwan akan bergantung pada jumlah dimensi tambahan, massa lubang hitam, ukuran dimensi, dan energi di mana lubang hitam akan terbentuk.

Apakah ada tali?

Seperti lubang hitam, ada bahaya teoretis lain dari tabrakan energi tinggi di LHC - pembunuh-strangelet.

Strapellets ("tetesan aneh") adalah potongan subatomik hipotetis dari materi aneh, yang hampir seluruhnya terdiri dari quark atas, bawah, dan aneh, yang, sesuai dengan teori, menjadi lebih stabil semakin mereka tumbuh.

Satu teori menyatakan bahwa makhluk aneh dapat mengubah materi biasa dalam seperseribu detik, menghancurkan Bumi, mengubahnya menjadi makhluk aneh pembunuh raksasa.

Tapi Sevior mengatakan itu tidak mungkin terjadi.

“Saya harap kami menemukannya, karena ini sangat menarik. Dan saya sama sekali tidak khawatir, karena Bumi dan planet-planet lain dibombardir dengan sinar berenergi tinggi, dan jika zat aneh ini mengubah materi biasa menjadi benda asing, ia akan menghancurkan semua miliaran tahun yang lalu.

"Fakta bahwa kita masih di sini adalah bukti bagus bahwa tidak ada yang perlu dikhawatirkan."

Bagaimana cara kerja Large Hadron Collider?

Akselerator partikel terbesar di dunia adalah cincin bawah tanah sepanjang 27 kilometer yang terletak di perbatasan antara Prancis dan Swiss.

Fasilitas senilai $10 miliar, yang dioperasikan oleh CERN, Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir, menghantam partikel subatomik satu sama lain dengan kecepatan hampir kecepatan cahaya.

Untuk tumbukan, dua tabung yang berdekatan digunakan, garis sinar yang dilengkapi dengan elektromagnet superkonduktor kuat yang didinginkan oleh helium cair hingga suhu di bawah -271 derajat Celcius. Ini adalah lemari es terbesar di planet ini.

Magnet ini mengirimkan berkas proton atau inti atom sepanjang masing-masing garis dalam arah yang berlawanan. Tabrakan partikel terjadi di empat detektor bawah tanah raksasa yang terletak di persimpangan garis sinar.

Balok proton pertama dikirim ke sekitar cincin LHC pada 10 September 2008, tetapi sembilan hari kemudian kegagalan listrik menyebabkan helium cair bocor dan meledak, mematikan fasilitas selama satu tahun.

Pada November 2009, semuanya dimulai lagi, tetapi daya berkurang. Pada awal 2013, LHC ditutup untuk meningkatkan daya dari 8 TeV menjadi 14 TeV. Elektron volt adalah ukuran energi yang digunakan dalam bidang fisika partikel untuk menentukan jumlah energi yang diperoleh satu elektron ketika dipercepat oleh beda potensial listrik satu volt.

“Jika kita menembakkan elektron dari ujung baterai 1,5 volt, itu akan mendapatkan energi kinetik 1,5 elektron volt,” kata Sevior. "Ini jauh lebih lemah daripada gigitan nyamuk, Anda tidak akan menyadarinya, tetapi jika Anda memukul balok dengan energi megawatt, itu akan membakar lubang di dalam diri Anda."

Ini adalah pencarian cara untuk menggabungkan dua teori dasar - GR (tentang gravitasi) dan SM (model standar yang menggabungkan tiga interaksi fisik mendasar - elektromagnetik, kuat dan lemah). Menemukan solusi sebelum pembuatan LHC terhambat oleh kesulitan dalam menciptakan teori gravitasi kuantum.

Konstruksi hipotesis ini melibatkan kombinasi dua teori fisika - mekanika kuantum dan relativitas umum.

Untuk ini, beberapa pendekatan populer dan diperlukan di zaman modern digunakan sekaligus - teori string, teori bran, teori supergravitasi, serta teori gravitasi kuantum. Sebelum konstruksi penumbuk, masalah utama dalam melakukan eksperimen yang diperlukan adalah kurangnya energi, yang tidak dapat dicapai dengan akselerator partikel modern lainnya.

LHC Jenewa memberi para ilmuwan kesempatan untuk melakukan eksperimen yang sebelumnya tidak layak. Diyakini bahwa dalam waktu dekat, dengan bantuan peralatan, banyak teori fisika akan dikonfirmasi atau disangkal. Salah satu yang paling bermasalah adalah supersimetri atau teori string, yang untuk waktu yang lama membagi fisik menjadi dua kubu - "stringer" dan saingan mereka.

Eksperimen mendasar lainnya yang dilakukan sebagai bagian dari pekerjaan LHC

Penelitian para ilmuwan di bidang studi quark atas, yang merupakan quark paling banyak dan terberat (173,1 ± 1,3 GeV / c²) dari semua partikel elementer yang diketahui saat ini, juga menarik.

Karena sifat ini, bahkan sebelum pembuatan LHC, para ilmuwan hanya dapat mengamati quark di akselerator Tevatron, karena perangkat lain tidak memiliki daya dan energi yang cukup. Pada gilirannya, teori quark merupakan elemen penting dari hipotesis Higgs boson yang sensasional.

Semua penelitian ilmiah tentang penciptaan dan studi tentang sifat-sifat quark dilakukan oleh para ilmuwan di ruang uap quark-antiquark teratas di LHC.

Tujuan penting dari proyek Jenewa juga adalah proses mempelajari mekanisme simetri elektrolemah, yang juga terkait dengan bukti eksperimental keberadaan Higgs boson. Jika kita mendefinisikan masalahnya lebih tepat, maka subjek penelitian bukanlah boson itu sendiri, tetapi mekanisme pelanggaran simetri interaksi elektrolemah yang diprediksi oleh Peter Higgs.

Dalam kerangka LHC, eksperimen juga sedang dilakukan untuk mencari supersimetri - dan hasil yang diinginkan akan menjadi bukti teori bahwa setiap partikel elementer selalu disertai oleh pasangan yang lebih berat, dan sanggahannya.

Disingkat LHC (Large Hadron Collider, disingkat LHC) adalah akselerator partikel bermuatan dalam balok yang bertabrakan, dirancang untuk mempercepat proton dan ion berat (ion timbal) dan mempelajari produk tumbukan mereka. Collider dibangun di CERN (European Council for Nuclear Research), yang terletak di dekat Jenewa, di perbatasan Swiss dan Prancis. LHC adalah fasilitas eksperimen terbesar di dunia. Lebih dari 10.000 ilmuwan dan insinyur dari lebih dari 100 negara telah berpartisipasi dan berpartisipasi dalam konstruksi dan penelitian.

Dinamakan besar karena ukurannya: panjang cincin utama akselerator adalah 26.659 m; hadronic - karena mempercepat hadron, yaitu partikel berat yang terdiri dari quark; bertabrakan (Bahasa Inggris bertabrakan - bertabrakan) - karena fakta bahwa berkas partikel dipercepat dalam arah yang berlawanan dan bertabrakan pada titik tumbukan khusus.

spesifikasi

Akselerator seharusnya menumbuk proton dengan energi total 14 TeV (yaitu, 14 teraelectronvolts atau 14 1012 elektron volt) di pusat sistem massa partikel yang datang, serta inti timah dengan energi 5 GeV (5 109 elektron volt) untuk setiap pasangan nukleon yang bertabrakan. Pada awal 2010, LHC sudah agak mengungguli juara sebelumnya dalam hal energi proton - penumbuk proton-antiproton Tevatron, yang hingga akhir 2011 bekerja di Laboratorium Akselerator Nasional. Enrico Fermi (AS). Terlepas dari kenyataan bahwa penyesuaian peralatan berlangsung selama bertahun-tahun dan belum selesai, LHC telah menjadi akselerator partikel energi tertinggi di dunia, melampaui energi penumbuk lainnya dalam urutan besarnya, termasuk ion berat relativistik RHIC. Collider yang beroperasi di Brookhaven Laboratory (USA). ).

Luminositas LHC selama minggu pertama berjalan tidak lebih dari 1029 partikel/cm 2 s, namun terus meningkat secara konstan. Tujuannya adalah untuk mencapai luminositas nominal 1,7·1034 partikel/cm 2 s, yang memiliki urutan besarnya yang sama dengan luminositas BaBar (SLAC, AS) dan Belle (Inggris) (KEK, Jepang).

Akselerator terletak di terowongan yang sama yang sebelumnya ditempati oleh Large Electron-Positron Collider. Terowongan dengan keliling 26,7 km itu diletakkan di bawah tanah di Prancis dan Swiss. Kedalaman terowongan adalah dari 50 hingga 175 meter, dan cincin terowongan miring sekitar 1,4% relatif terhadap permukaan bumi. Untuk menahan, mengoreksi, dan memfokuskan sinar proton, 1624 magnet superkonduktor digunakan, yang total panjangnya melebihi 22 km. Magnet beroperasi pada suhu 1,9 K (-271 °C), yang sedikit di bawah suhu superfluida helium.

detektor LHC

LHC memiliki 4 detektor utama dan 3 detektor tambahan:

• ALICE (Eksperimen Penabur Ion Besar)
• ATLAS (Peralatan LHC Toroidal)
• CMS (Solenoid Muon Kompak)
• LHCb (Eksperimen kecantikan Large Hadron Collider)
• TOTEM (TOTal Elastis dan Pengukuran penampang difraksi)
• LHCf (The Large Hadron Collider maju)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector Di LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb adalah detektor besar yang terletak di sekitar titik tumbukan sinar. Detektor TOTEM dan LHCf adalah tambahan, terletak pada jarak beberapa puluh meter dari titik persimpangan balok yang ditempati oleh detektor CMS dan ATLAS, masing-masing, dan akan digunakan bersama dengan yang utama.

Detektor ATLAS dan CMS adalah detektor tujuan umum yang dirancang untuk mencari Higgs boson dan "fisika non-standar", khususnya materi gelap, ALICE - untuk mempelajari plasma quark-gluon dalam tumbukan ion timbal berat, LHCb - untuk mempelajari fisika b-quark, yang akan memungkinkan untuk lebih memahami perbedaan antara materi dan antimateri, TOTEM dirancang untuk mempelajari hamburan partikel pada sudut kecil, seperti yang terjadi selama rentang dekat tanpa tumbukan (yang disebut partikel tidak bertabrakan, maju partikel), yang memungkinkan Anda untuk lebih akurat mengukur ukuran proton, serta mengontrol luminositas penabrakan, dan, akhirnya, LHCf - untuk studi sinar kosmik, dimodelkan menggunakan partikel non-tabrakan yang sama.

Detektor ketujuh (percobaan) MoEDAL, yang dirancang untuk mencari partikel berat yang bergerak lambat, juga dikaitkan dengan pengoperasian LHC.

Selama operasi penumbuk, tumbukan dilakukan secara simultan di keempat titik perpotongan balok, terlepas dari jenis partikel yang dipercepat (proton atau inti). Pada saat yang sama, semua detektor mengumpulkan statistik secara bersamaan.

Percepatan partikel dalam penumbuk

Kecepatan partikel dalam LHC pada balok yang bertabrakan mendekati kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Percepatan partikel ke energi tinggi seperti itu dicapai dalam beberapa tahap. Pada tahap pertama, akselerator linier Linac 2 dan Linac 3 berenergi rendah menyuntikkan proton dan ion timbal untuk percepatan lebih lanjut. Kemudian partikel-partikel tersebut masuk ke booster PS dan kemudian ke PS (proton synchrotron) itu sendiri, memperoleh energi sebesar 28 GeV. Dengan energi ini, mereka sudah bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya. Setelah itu, percepatan partikel berlanjut di SPS (Proton Super Synchrotron), dimana energi partikel mencapai 450 GeV. Kemudian sekelompok proton dikirim ke cincin utama 26,7 kilometer, membawa energi proton ke maksimum 7 TeV, dan pada titik tumbukan, detektor merekam peristiwa yang terjadi. Dua berkas proton yang bertabrakan, ketika terisi penuh, masing-masing dapat berisi 2808 tandan. Pada tahap awal debugging proses akselerasi, hanya satu tandan yang beredar dalam satu bundel sepanjang beberapa sentimeter dan berukuran kecil melintang. Kemudian mereka mulai meningkatkan jumlah gumpalan. Cluster terletak di posisi tetap relatif satu sama lain, yang bergerak serentak di sepanjang ring. Gumpalan dalam urutan tertentu dapat bertabrakan di empat titik cincin, di mana detektor partikel berada.

Energi kinetik semua tandan hadron di LHC ketika terisi penuh sebanding dengan energi kinetik pesawat jet, meskipun massa semua partikel tidak melebihi nanogram dan bahkan tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Energi tersebut dicapai karena kecepatan partikel mendekati kecepatan cahaya.

Tandan melewati lingkaran penuh akselerator lebih cepat dari 0,0001 detik, sehingga menghasilkan lebih dari 10 ribu putaran per detik

Maksud dan Tujuan LHC

Tugas utama Large Hadron Collider adalah untuk mengetahui struktur dunia kita pada jarak kurang dari 10–19 m, "menyelidikinya" dengan partikel dengan energi beberapa TeV. Sampai saat ini, banyak bukti tidak langsung telah mengumpulkan bahwa pada skala ini, fisikawan harus membuka "lapisan realitas baru" tertentu, yang studinya akan memberikan jawaban atas banyak pertanyaan fisika fundamental. Apa sebenarnya lapisan realitas ini nantinya tidak diketahui sebelumnya. Para ahli teori, tentu saja, telah mengusulkan ratusan fenomena yang berbeda yang dapat diamati pada energi tumbukan beberapa TeV, tetapi eksperimenlah yang akan menunjukkan apa yang sebenarnya terjadi di alam.

Mencari Fisika Baru Model Standar tidak dapat dianggap sebagai teori pamungkas partikel elementer. Itu harus menjadi bagian dari beberapa teori yang lebih dalam tentang struktur dunia mikro, bagian yang terlihat dalam percobaan penumbuk pada energi di bawah sekitar 1 TeV. Teori-teori tersebut secara kolektif disebut sebagai "Fisika Baru" atau "Melampaui Model Standar". Tugas utama Large Hadron Collider adalah untuk mendapatkan setidaknya petunjuk pertama tentang apa teori yang lebih dalam ini. Untuk lebih menggabungkan interaksi fundamental dalam satu teori, berbagai pendekatan digunakan: teori string, yang dikembangkan dalam teori-M (teori bran), teori supergravitasi, gravitasi kuantum loop, dll. Beberapa di antaranya memiliki masalah internal, dan tidak ada yang memiliki masalah internal. konfirmasi eksperimental. Masalahnya adalah bahwa untuk melakukan eksperimen yang sesuai, diperlukan energi yang tidak dapat dicapai pada akselerator partikel modern. LHC akan memungkinkan eksperimen yang sebelumnya tidak mungkin dan kemungkinan akan mengkonfirmasi atau menyangkal beberapa teori ini. Jadi, ada berbagai macam teori fisika dengan dimensi lebih besar dari empat yang menyarankan keberadaan "supersimetri" - misalnya, teori string, yang kadang-kadang disebut teori superstring justru karena tanpa supersimetri ia kehilangan makna fisiknya. Konfirmasi keberadaan supersimetri dengan demikian akan menjadi konfirmasi tidak langsung dari kebenaran teori-teori ini. Mempelajari top quark Top quark adalah quark terberat dan, terlebih lagi, ini adalah partikel elementer terberat yang ditemukan sejauh ini. Menurut hasil terbaru dari Tevatron, massanya adalah 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Karena massanya yang besar, quark atas sejauh ini hanya diamati pada satu akselerator, Tevatron; akselerator lain hanya kekurangan energi untuk memproduksinya. Selain itu, top quark menarik bagi fisikawan tidak hanya dalam hak mereka sendiri, tetapi juga sebagai "alat kerja" untuk mempelajari boson Higgs. Salah satu saluran yang paling penting untuk produksi boson Higgs di LHC adalah produksi asosiatif bersama dengan pasangan quark-antiquark teratas. Untuk memisahkan peristiwa semacam itu dari latar belakang secara andal, pertama-tama perlu mempelajari sifat-sifat quark atas itu sendiri. Mempelajari mekanisme simetri elektrolemah Salah satu tujuan utama dari proyek ini adalah untuk secara eksperimental membuktikan keberadaan boson Higgs, sebuah partikel yang diprediksi oleh fisikawan Skotlandia Peter Higgs pada tahun 1964 dalam kerangka Model Standar. Higgs boson adalah kuantum dari apa yang disebut medan Higgs, ketika melewati partikel yang mengalami hambatan, yang kami nyatakan sebagai koreksi massa. Boson sendiri tidak stabil dan memiliki massa yang besar (lebih dari 120 GeV/c2). Faktanya, fisikawan tidak begitu tertarik pada Higgs boson itu sendiri, tetapi pada mekanisme pemutusan simetri Higgs dari interaksi elektrolemah. Studi plasma quark-gluon Diperkirakan sekitar satu bulan per tahun akan dihabiskan di akselerator dalam mode tumbukan nuklir. Selama bulan ini, collider akan berakselerasi dan bertabrakan di detektor bukan proton, tetapi inti timah. Dalam tumbukan tidak elastik dua inti pada kecepatan ultrarelativistik, gumpalan materi inti yang padat dan sangat panas terbentuk untuk waktu yang singkat dan kemudian meluruh. Memahami fenomena yang terjadi dalam kasus ini (transisi materi ke keadaan plasma quark-gluon dan pendinginannya) diperlukan untuk membangun teori interaksi kuat yang lebih sempurna, yang akan berguna baik untuk fisika nuklir maupun untuk astrofisika. Pencarian supersimetri Pencapaian ilmiah pertama yang signifikan dari eksperimen di LHC mungkin merupakan bukti atau sanggahan dari "supersimetri" - teori bahwa setiap partikel elementer memiliki pasangan yang jauh lebih berat, atau "superpartikel". Studi tentang tumbukan foton-hadron dan foton-foton Interaksi elektromagnetik partikel digambarkan sebagai pertukaran (dalam beberapa kasus virtual) foton. Dengan kata lain, foton adalah pembawa medan elektromagnetik. Proton bermuatan listrik dan dikelilingi oleh medan elektrostatik, masing-masing, bidang ini dapat dianggap sebagai awan foton virtual. Setiap proton, terutama proton relativistik, termasuk awan partikel virtual sebagai bagian integral. Ketika proton bertabrakan satu sama lain, partikel virtual yang mengelilingi masing-masing proton juga berinteraksi. Secara matematis, proses interaksi partikel digambarkan dengan serangkaian koreksi yang panjang, yang masing-masing menggambarkan interaksi melalui partikel virtual dari jenis tertentu (lihat: diagram Feynman). Jadi, ketika mempelajari tumbukan proton, interaksi materi dengan foton berenergi tinggi, yang sangat menarik bagi fisika teoretis, juga dipelajari secara tidak langsung. Kelas reaksi khusus juga dipertimbangkan - interaksi langsung dari dua foton, yang dapat bertabrakan baik dengan proton yang datang, menghasilkan tumbukan foton-hadron yang khas, dan satu sama lain. Dalam mode tumbukan nuklir, karena muatan listrik inti yang besar, pengaruh proses elektromagnetik bahkan lebih penting. Menguji teori-teori eksotis Para ahli teori pada akhir abad ke-20 mengajukan sejumlah besar gagasan yang tidak biasa tentang struktur dunia, yang secara kolektif disebut "model-model eksotis". Ini termasuk teori dengan gravitasi kuat pada skala sekitar 1 TeV, model dengan sejumlah besar dimensi spasial, model preon di mana quark dan lepton sendiri terdiri dari partikel, model dengan tipe interaksi baru. Faktanya adalah bahwa akumulasi data eksperimen masih belum cukup untuk membuat satu teori. Dan semua teori ini sendiri kompatibel dengan data eksperimen yang tersedia. Karena teori-teori ini dapat membuat prediksi spesifik untuk LHC, para peneliti berencana untuk menguji prediksi dan mencari jejak teori-teori tertentu dalam data mereka. Diharapkan hasil yang diperoleh pada akselerator akan dapat membatasi imajinasi para ahli teori, menutup beberapa konstruksi yang diusulkan. Lainnya Hal ini juga diharapkan untuk mendeteksi fenomena fisik di luar kerangka Model Standar. Direncanakan untuk mempelajari sifat-sifat boson W dan Z, interaksi nuklir pada energi supertinggi, proses produksi dan peluruhan quark berat (b dan t).

Kandidat Ilmu Fisika dan Matematika E. LOZOVSKAYA.

Sejauh mana sebutir materi, seperti sebutir pasir, dapat dihancurkan? Terbuat dari apakah dunia di sekitar kita? Bagaimana, kapan, dan dari mana asalnya bintang, planet, dan segala sesuatu lainnya? Pertanyaan-pertanyaan ini telah menghantui orang sejak lama. Dan semakin dalam ilmuwan menembus rahasia alam, semakin sulit eksperimen ilmiahnya.

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Sains dan kehidupan // Ilustrasi

Mungkin, masing-masing dari kita setidaknya pernah mencoba membongkar mainan untuk melihat apa yang ada di dalamnya. Keingintahuan semacam itu juga mendorong para ilmuwan yang berusaha menemukan struktur materi hingga ke blok bangunan paling dasar. Dan untuk melakukan penelitian semacam itu, mereka merancang dan membangun fasilitas eksperimental khusus - akselerator.

Di perbatasan Swiss dan Prancis, jauh di bawah tanah, ada terowongan melingkar besar. Panjangnya hampir 27 km. Suatu ketika, pada tahun 80-an abad XX, terowongan ini digali sehingga para peneliti dari CERN - Pusat Penelitian Nuklir Eropa - dapat mempercepat elektron dan positron di dalamnya hingga kecepatan yang luar biasa. Sekarang akselerator baru telah dibuat di terowongan ini, yang disebut Large Hadron Collider.

Apa itu?

Kata "collider" berasal dari bahasa Inggris bertabrakan - bertabrakan. Dalam penumbuk, dua berkas partikel terbang menuju satu sama lain, dan pada saat tumbukan, energi berkas bertambah. Dalam akselerator konvensional, pancaran mengenai target yang tidak dapat digerakkan dan energi dari benturan seperti itu jauh lebih sedikit.

Mengapa penumbuk disebut hadron? Di antara partikel dasar ada keluarga hadron. Ini termasuk proton dan neutron, yang membentuk inti semua atom, serta berbagai meson. Sebuah properti penting dari hadron adalah bahwa mereka tidak benar-benar partikel dasar, tetapi terdiri dari quark "direkatkan" oleh gluon.

Tidak setiap hadron dapat terdispersi dalam penumbuk hadron, tetapi hanya satu yang memiliki muatan listrik. Misalnya, neutron adalah partikel netral, yang terlihat dari namanya, dan medan elektromagnetik tidak bekerja padanya. Oleh karena itu, objek utama percobaan adalah proton (inti atom hidrogen) dan inti timbal berat.

Saat ini, Large Hadron Collider adalah yang paling kuat di dunia. Dengan bantuannya, fisikawan berharap dapat memperoleh proton dengan energi 7TeV (teraelectronvolt, yaitu 10 12 eV). Ini berarti bahwa energi total 14 TeV akan dilepaskan selama tumbukan. Untuk mencapai energi ini, proton harus bergerak mendekati kecepatan cahaya (lebih tepatnya, pada kecepatan 0.999999991 kecepatan cahaya). Selain itu, setiap proton dalam satu detik akan terbang melalui cincin sepanjang 27 kilometer sebanyak 11.000 kali! Seberkas proton dapat terbang di dalam penumbuk selama 10 jam. Selama waktu ini, ia akan mengatasi lebih dari 10 miliar kilometer - jarak ke planet Neptunus dan kembali.

Bagaimana itu diatur?

Magnet superkonduktor dipasang di sepanjang terowongan. Partikel dipercepat dalam medan listrik, dan medan magnet mengarahkan mereka di sepanjang jalur melingkar - jika tidak mereka akan menabrak dinding. Karena magnet tidak sederhana, tetapi superkonduktor (hanya magnet yang memungkinkan untuk mencapai nilai medan magnet yang diperlukan), magnet harus didinginkan hingga suhu 1,9 K agar dapat bekerja. Ini lebih rendah daripada suhu di luar angkasa (2,7 K). Untuk mendapatkan dingin kosmik di bawah kondisi terestrial, diperlukan untuk menuangkan 120 ton helium cair ke dalam sistem pendingin collider.

Dua balok bergerak dalam arah yang berlawanan sepanjang dua tabung melingkar. Seharusnya tidak ada yang mengganggu pergerakan partikel, sehingga udara dari pipa dipompa keluar ke ruang hampa yang dalam. Tabrakan hanya dapat terjadi di empat titik di mana pipa-pipa tersebut berpotongan. Tabrakan langsung antara dua partikel adalah peristiwa yang agak jarang terjadi. Ketika dua berkas 100 miliar partikel masing-masing bersilangan, hanya 20 partikel yang bertabrakan. Tetapi karena balok-balok itu melintas sekitar 30 juta kali per detik, 600 juta tumbukan dapat terjadi setiap detik.

Mengapa dibutuhkan?

Interaksi dan transformasi partikel elementer yang diketahui hingga saat ini dijelaskan dengan baik oleh teori yang disebut Model Standar. Tetapi teori ini tidak dapat menjawab beberapa pertanyaan. Misalnya, tidak dapat menjelaskan mengapa beberapa partikel memiliki massa yang besar, sementara yang lain tidak memilikinya sama sekali. Ada hipotesis bahwa partikel khusus, boson Higgs, bertanggung jawab atas massa. Inilah yang diharapkan fisikawan untuk ditemukan ketika berkas proton berenergi tinggi bertabrakan. Ada kemungkinan bahwa Large Hadron Collider akan membantu kita memahami apa itu materi gelap dan energi gelap, yang menurut para astrofisikawan, mencakup lebih dari 95% dari semua materi di alam semesta.

Dalam tabrakan berkas inti berat, fisikawan berharap dapat menciptakan kondisi untuk Big Bang - titik awal pengembangan Semesta. Diyakini bahwa pada saat-saat pertama setelah ledakan, hanya ada plasma quark-gluon. Setelah seperseratus mikrodetik, quark bergabung menjadi tiga untuk membentuk proton dan neutron. Sejauh ini, tidak ada eksperimen yang berhasil "membelah" sebuah proton dan memusnahkan quark individu darinya. Tapi siapa tahu, mungkin Large Hadron Collider akan mengatasi tugas ini - lagi pula, ketika inti timbal bertabrakan, itu seharusnya mencapai suhu seratus ribu kali lebih tinggi daripada suhu di pusat Matahari.

Bagaimana cara melihat yang tak terlihat?

Sayangnya, para ilmuwan tidak memiliki instrumen yang dapat secara langsung mendaftar, misalnya, plasma quark-gluon: setelah periode yang sangat singkat 10 -23 detik, ia akan menghilang tanpa jejak. Hasil percobaan harus dinilai dengan "bukti" - jejak yang ditinggalkan oleh partikel yang lahir selama percobaan. Sebagai fisikawan bercanda, itu tidak lebih mudah daripada menciptakan penampilan Kucing Cheshire dari senyumnya.

Tentang lubang hitam dan "akhir dunia"

Ada banyak mitos yang terkait dengan Large Hadron Collider. Misalnya, mereka mengatakan bahwa ketika partikel berenergi tinggi bertabrakan, sebuah lubang hitam terbentuk, di mana ia dapat "menarik" seluruh planet kita, dan "akhir dunia" akan datang. Faktanya, energi 14 TeV, yang merupakan rekor fisika partikel elementer, sangat kecil - dua persejuta joule. Mendidihkan satu liter air akan membutuhkan energi lebih dari seratus miliar tumbukan proton-proton. Selain itu, Bumi telah dibombardir selama miliaran tahun oleh partikel kosmik dengan energi jutaan kali lebih besar daripada energi proton dalam akselerator. Dan sejauh ini, itu tidak menyebabkan konsekuensi yang mengerikan. Benar, beberapa fisikawan percaya bahwa lubang hitam akan muncul di penumbuk - tetapi mikroskopis dan berumur sangat pendek.

Energi diukur dalam unit yang berbeda - dalam joule, kalori, kilowatt-jam. Sistem SI internasional hanya mencakup joule. Tetapi dalam fisika partikel dasar, elektron volt dan turunannya - KeV, MeV, GeV, TeV - paling sering digunakan untuk mengukur energi. Elektron volt adalah unit yang nyaman. Ini didasarkan pada gagasan yang dipahami dengan baik bahwa satu elektron dipercepat oleh perbedaan potensial 1 volt dan memperoleh sejumlah energi dalam prosesnya. 1 eV \u003d 1.6.10 -19 J. Dalam volt elektron, tidak hanya energi yang diukur, tetapi juga massa. Menurut persamaan Einstein yang terkenal E=mc 2 , energi dan massa adalah dua sisi dari mata uang yang sama. Massa dapat diubah menjadi energi dan sebaliknya. Dalam penumbuk, transformasi seperti itu terjadi pada setiap tumbukan.

Fakta bahwa materi terdiri dari partikel yang tidak dapat dibagi - atom, disarankan oleh ilmuwan Yunani kuno Democritus (omong-omong, "atom" dalam bahasa Yunani kuno berarti "tidak dapat dibagi"). Tetapi hanya setelah berabad-abad, fisikawan membuktikan bahwa inilah masalahnya. Kemudian ternyata atom sebenarnya dapat dibagi - terdiri dari elektron dan nukleus, dan nukleus terdiri dari proton dan neutron. Tetapi mereka, ternyata, bukan partikel terkecil dan, pada gilirannya, terdiri dari quark. Fisikawan percaya bahwa quark adalah batas pembelahan materi dan tidak ada yang kurang di dunia. Dan quark terhubung satu sama lain dengan bantuan gluon (dari lem bahasa Inggris - lem).

Fisika partikel adalah studi tentang objek terkecil di alam. Ukuran atom 10 -10 m, ukuran inti atom 10 -14 m, ukuran proton dan neutron 10 -15 m, elektron kurang dari 10 -18 m, dan quark lebih kecil. dari 10 -19 m. Untuk membandingkan angka-angka ini, bayangkan diameter proton akan menjadi sekitar 10 cm. Kemudian elektron dan quark akan kurang dari 0,1 mm, dan seluruh atom akan berjarak 10 km.