uma instalação na qual, com a ajuda de campos elétricos e magnéticos, são obtidos feixes direcionados de elétrons, prótons, íons e outras partículas carregadas com uma energia muito superior à energia térmica. No processo de aceleração, as velocidades das partículas aumentam, muitas vezes para valores próximos da velocidade da luz. Atualmente, vários pequenos aceleradores são usados ​​na medicina (radioterapia) e também na indústria (por exemplo, para implantação de íons em semicondutores). Grandes aceleradores são usados ​​principalmente para fins científicos - para estudar processos subnucleares e as propriedades de partículas elementares ( Veja também PARTÍCULAS ELEMENTARES).

De acordo com a mecânica quântica, um feixe de partículas, como um feixe de luz, é caracterizado por um determinado comprimento de onda. Quanto maior a energia das partículas, menor esse comprimento de onda. E quanto menor o comprimento de onda, menores os objetos que podem ser investigados, mas quanto maior o tamanho dos aceleradores e mais complexos eles são. O desenvolvimento da pesquisa sobre o microcosmo exigiu uma energia cada vez maior do feixe de sondagem. As primeiras fontes de radiação de alta energia foram substâncias radioativas naturais. Mas eles deram aos pesquisadores apenas um conjunto limitado de partículas, intensidades e energias. Na década de 1930, os cientistas começaram a trabalhar em instalações que pudessem produzir vigas mais diversas. Atualmente, existem aceleradores que possibilitam a obtenção de qualquer tipo de radiação de alta energia. Se, por exemplo, for necessária radiação de raios X ou gama, os elétrons são acelerados, que então emitem fótons em processos de radiação bremsstrahlung ou síncrotron. Os nêutrons são gerados bombardeando um alvo adequado com um intenso feixe de prótons ou dêuterons.

A energia das partículas nucleares é medida em elétron-volts (eV). Um elétron-volt é a energia que uma partícula carregada adquire, carregando uma carga elementar (carga eletrônica), quando se move em um campo elétrico entre dois pontos com uma diferença de potencial de 1 V. energia na faixa de milhares a vários trilhões (10 12 ) elétron-volts - no maior acelerador do mundo.

Para detectar processos raros em um experimento, é necessário aumentar a relação sinal-ruído. Isso requer fontes de radiação cada vez mais intensas. A tecnologia de ponta da moderna tecnologia de aceleradores é determinada por dois parâmetros principais - a energia e a intensidade do feixe de partículas.

Os aceleradores modernos usam vários e diversos tipos de tecnologia: geradores de alta frequência, eletrônica de alta velocidade e sistemas de controle automático, dispositivos complexos de diagnóstico e controle, equipamentos de ultra-alto vácuo, poderosos ímãs de precisão (tanto “comuns” quanto criogênicos) e alinhamento complexo e sistemas de fixação.

Valoshek P. Viagem às profundezas da matéria. Com o acelerador HERA para as fronteiras do conhecimento. M., 1995

Encontrar " ACELERADOR DE PARTÍCULAS" no

O reinício permitirá que os cientistas continuem estudando as propriedades únicas da antimatéria com mais detalhes.

“Podemos até descobrir se o anti-hidrogênio reage à gravidade”, diz Sevior. - Este é um teste difícil, mas interessante para a física fundamental. Esperamos que a antimatéria acelere em resposta à gravidade da mesma forma que a matéria, mas ninguém fez isso antes; se não, poderia virar o trabalho da gravidade de cabeça para baixo.”

O estudo da gravidade e dimensões extras do espaço-tempo

Os cientistas querem entender por que a gravidade é tão diferente de outras forças da natureza. É possível que não sintamos todo o efeito da gravidade porque ela se propaga em dimensões extras.

Os cientistas podem aprender mais sobre essas dimensões extras observando partículas que só podem existir nelas e são reais.

“Em vez da supersimetria como uma física fundamentalmente nova, podemos obter dimensões adicionais”, diz Sevior. "As teorias sugerem que em outras dimensões pode haver versões mais pesadas de partículas padrão - partículas Kaluza-Klein, que têm mais massa que as partículas padrão."

Essas partículas só podem ser detectadas em colisões de alta energia.

Criação de buracos negros

Buracos negros são lugares onde a gravidade é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar.

Buracos negros estelares são criados quando a gravidade massiva de uma estrela faz com que seu núcleo colapse subitamente, colapse em si mesmo, crie um ponto sem retorno. Buracos negros supermassivos nos centros das galáxias podem ter milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol.

Os cientistas sugeriram que buracos negros microscópicos ou quânticos, que são menores que um átomo, poderiam existir se houvesse dimensões ocultas adicionais.

Até agora, o LHC não produziu buracos negros microscópicos e, se o fizesse, seriam tão pequenos que evaporariam em 10^-27 segundos, decaindo em partículas comuns ou supersimétricas.

“Se o LHC criar buracos negros microscópicos, isso seria evidência de dimensões extras, e os traços incomuns de sua aparência seriam fáceis de detectar”, diz Sevior.

O que os cientistas encontrarão dependerá do número de dimensões extras, da massa do buraco negro, do tamanho das dimensões e da energia na qual o buraco negro se formará.

Existem alças?

Como os buracos negros, há outro perigo teórico de colisões de alta energia no LHC - o assassino-estranho.

Strapellets (“gotículas estranhas”) são pedaços subatômicos hipotéticos de matéria estranha, consistindo quase inteiramente de quarks up, down e strange, que, de acordo com a teoria, se tornam mais estáveis ​​à medida que crescem.

Uma teoria sugere que estranhos podem mudar a matéria comum em um milésimo de segundo, destruindo a Terra, transformando-a em um estranho assassino gigante.

Mas Sevior diz que é improvável que aconteça.

“Espero que encontremos, porque é extremamente interessante. E não estou nem um pouco preocupado, porque a Terra e outros planetas são bombardeados com raios de alta energia, e se essa estranha substância transformasse matéria comum em estranhas, ela teria destruído todos os bilhões de anos atrás.

"O fato de ainda estarmos aqui é uma grande prova de que não há com o que se preocupar."

Como funciona o Grande Colisor de Hádrons?

O maior acelerador de partículas do mundo é um anel subterrâneo de 27 quilômetros localizado na fronteira entre a França e a Suíça.

A instalação de US $ 10 bilhões, operada pelo CERN, a Organização Européia para Pesquisa Nuclear, bate partículas subatômicas umas nas outras quase à velocidade da luz.

Para a colisão, são usados ​​dois tubos adjacentes, linhas de raios equipadas com poderosos eletroímãs supercondutores resfriados por hélio líquido a temperaturas abaixo de -271 graus Celsius. Esta é a maior geladeira do planeta.

Esses ímãs enviam feixes de prótons ou núcleos atômicos ao longo de cada uma das linhas em direções opostas. As colisões de partículas ocorrem em quatro detectores subterrâneos gigantes localizados nas interseções das linhas de raios.

Os primeiros feixes de prótons foram enviados ao redor do anel do LHC em 10 de setembro de 2008, mas nove dias depois uma falha elétrica fez com que o hélio líquido vazasse e explodisse, fechando a instalação por um ano.

Em novembro de 2009, tudo recomeçou, mas a potência foi reduzida. No início de 2013, o LHC foi fechado para aumentar sua potência de 8 TeV para 14 TeV. Um elétron-volt é uma medida de energia usada no campo da física de partículas para determinar a quantidade de energia que um elétron ganha quando acelerado por um volt de diferença de potencial elétrico.

“Se dispararmos um elétron do final de uma bateria de 1,5 volt, ele obterá 1,5 elétron-volt de energia cinética”, diz Sevior. “É muito mais fraco do que uma picada de mosquito, você não notará, mas se você atingir um feixe com um megawatt de energia, ele fará um buraco em você.”

É a busca de formas de combinar duas teorias fundamentais - GR (sobre gravitacional) e SM (modelo padrão que combina três interações físicas fundamentais - eletromagnética, forte e fraca). Encontrar uma solução antes da criação do LHC foi dificultado pelas dificuldades em criar uma teoria da gravidade quântica.

A construção desta hipótese envolve a combinação de duas teorias físicas - a mecânica quântica e a relatividade geral.

Para isso, várias abordagens populares e necessárias nos tempos modernos foram usadas de uma só vez - teoria das cordas, teoria das branas, teoria da supergravidade, bem como a teoria da gravidade quântica. Antes da construção do colisor, o principal problema na condução dos experimentos necessários era a falta de energia, o que não pode ser alcançado com outros aceleradores de partículas modernos.

O LHC de Genebra deu aos cientistas a oportunidade de realizar experimentos anteriormente inviáveis. Acredita-se que em um futuro próximo, com a ajuda do aparato, muitas teorias físicas serão confirmadas ou refutadas. Um dos mais problemáticos é a supersimetria ou teoria das cordas, que por muito tempo dividiu o físico em dois campos - "stringers" e seus rivais.

Outros experimentos fundamentais realizados como parte do trabalho do LHC

A pesquisa de cientistas na área de estudo dos quarks top, que são os mais quarks e os mais pesados ​​(173,1 ± 1,3 GeV/c²) de todas as partículas elementares conhecidas atualmente, também é interessante.

Por causa dessa propriedade, mesmo antes da criação do LHC, os cientistas só podiam observar quarks no acelerador Tevatron, já que outros dispositivos simplesmente não tinham potência e energia suficientes. Por sua vez, a teoria dos quarks é um elemento importante da sensacional hipótese do bóson de Higgs.

Todas as pesquisas científicas sobre a criação e estudo das propriedades dos quarks são realizadas por cientistas na sala de vapor quark-antiquark do LHC.

Um objetivo importante do projeto de Genebra também é o processo de estudo do mecanismo de simetria eletrofraca, que também está relacionado à comprovação experimental da existência do bóson de Higgs. Se definirmos o problema com mais precisão, o objeto de estudo não é tanto o bóson em si, mas o mecanismo de violação da simetria da interação eletrofraca prevista por Peter Higgs.

No âmbito do LHC, também estão sendo realizados experimentos para buscar a supersimetria - e o resultado desejado será tanto a comprovação da teoria de que qualquer partícula elementar é sempre acompanhada de um parceiro mais pesado, quanto sua refutação.

Abreviado LHC (Large Hadron Collider, abreviado como LHC) é um acelerador de partículas carregadas em feixes em colisão, projetado para acelerar prótons e íons pesados ​​(íons de chumbo) e estudar os produtos de suas colisões. O colisor foi construído no CERN (Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear), localizado perto de Genebra, na fronteira da Suíça e da França. O LHC é a maior instalação experimental do mundo. Mais de 10.000 cientistas e engenheiros de mais de 100 países participaram e estão participando da construção e pesquisa.

É chamado de grande por causa de seu tamanho: o comprimento do anel principal do acelerador é de 26.659 m; hadrônico - devido ao fato de acelerar os hádrons, ou seja, partículas pesadas compostas por quarks; collider (inglês collider - collider) - devido ao fato de que os feixes de partículas são acelerados em direções opostas e colidem em pontos de colisão especiais.

Especificações

O acelerador deve colidir prótons com energia total de 14 TeV (ou seja, 14 teraelectronvolts ou 14 1012 elétron-volts) no centro de massa do sistema de partículas incidentes, bem como núcleos de chumbo com energia de 5 GeV (5 109 elétron-volts) para cada par de nucleons em colisão. No início de 2010, o LHC já havia superado um pouco o campeão anterior em termos de energia próton - o colisor próton-antipróton Tevatron, que até o final de 2011 funcionava no Laboratório Nacional de Aceleradores. Enrico Fermi (EUA). Apesar de o ajuste do equipamento se estender por anos e ainda não ter sido concluído, o LHC já se tornou o acelerador de partículas de maior energia do mundo, superando outros colisores em energia por uma ordem de magnitude, incluindo o RHIC relativístico de íons pesados colisor operando no Laboratório Brookhaven (EUA). ).

A luminosidade do LHC durante as primeiras semanas da corrida não foi superior a 1029 partículas/cm 2 s, no entanto, continua a aumentar constantemente. O objetivo é atingir uma luminosidade nominal de 1,7·1034 partículas/cm 2 s, que é da mesma ordem de grandeza das luminosidades de BaBar (SLAC, EUA) e Belle (inglês) (KEK, Japão).

O acelerador está localizado no mesmo túnel anteriormente ocupado pelo Large Electron-Positron Collider. O túnel com uma circunferência de 26,7 km foi colocado no subsolo na França e na Suíça. A profundidade do túnel é de 50 a 175 metros, e o anel do túnel é inclinado em cerca de 1,4% em relação ao solo. Para segurar, corrigir e focar os feixes de prótons, são usados ​​1624 ímãs supercondutores, cujo comprimento total excede 22 km. Os ímãs operam a uma temperatura de 1,9 K (-271 °C), que está ligeiramente abaixo da temperatura superfluida do hélio.

Detectores do LHC

O LHC possui 4 detectores principais e 3 auxiliares:

• ALICE (Experiência de um grande colisor de íons)
• ATLAS (Um Aparelho Toroidal LHC)
• CMS (solenóide compacto de múon)
• LHCb (Experiência de beleza do Grande Colisor de Hádrons)
• TOTEM (Medição total da seção transversal elástica e difrativa)
• LHCf (O Grande Colisor de Hádrons para a frente)
• MoEDAL (Monopolo e Detector de Exóticos no LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb são grandes detectores localizados ao redor dos pontos de colisão do feixe. Os detectores TOTEM e LHCf são auxiliares, localizados a uma distância de várias dezenas de metros dos pontos de interseção de feixes ocupados pelos detectores CMS e ATLAS, respectivamente, e serão utilizados juntamente com os principais.

Os detectores ATLAS e CMS são detectores de uso geral projetados para procurar o bóson de Higgs e "física não padrão", em particular a matéria escura, ALICE - para estudar plasma de quark-glúon em colisões de íons de chumbo pesados, LHCb - para estudar a física de quarks b, que permitirá entender melhor as diferenças entre matéria e antimatéria, o TOTEM foi projetado para estudar o espalhamento de partículas em pequenos ângulos, como ocorre durante vãos próximos sem colisões (as chamadas partículas não colidentes, partículas), que permite medir com mais precisão o tamanho dos prótons, bem como controlar a luminosidade do colisor e, por fim, o LHCf - para o estudo dos raios cósmicos, modelados usando as mesmas partículas que não colidem.

O sétimo detector (experimento) MoEDAL, projetado para procurar partículas pesadas em movimento lento, também está associado à operação do LHC.

Durante a operação do colisor, as colisões são realizadas simultaneamente em todos os quatro pontos de interseção dos feixes, independentemente do tipo de partículas aceleradas (prótons ou núcleos). Ao mesmo tempo, todos os detectores coletam estatísticas simultaneamente.

Aceleração de partículas em um colisor

A velocidade das partículas no LHC em feixes em colisão é próxima à velocidade da luz no vácuo. A aceleração de partículas para energias tão altas é alcançada em várias etapas. No primeiro estágio, os aceleradores lineares Linac 2 e Linac 3 de baixa energia injetam prótons e íons de chumbo para maior aceleração. Em seguida, as partículas entram no booster PS e depois no próprio PS (síncrotron de prótons), adquirindo uma energia de 28 GeV. Com essa energia, eles já estão se movendo a uma velocidade próxima da luz. Depois disso, a aceleração das partículas continua no SPS (Proton Super Synchrotron), onde a energia das partículas atinge 450 GeV. Em seguida, o grupo de prótons é enviado para o anel principal de 26,7 quilômetros, levando a energia dos prótons a um máximo de 7 TeV, e nos pontos de colisão, os detectores registram os eventos que ocorrem. Dois feixes de prótons em colisão, quando completamente preenchidos, podem conter 2808 cachos cada. Nos estágios iniciais de depuração do processo de aceleração, apenas um feixe circula em um feixe de vários centímetros de comprimento e de pequeno tamanho transversal. Então eles começam a aumentar o número de coágulos. Os clusters estão localizados em posições fixas em relação uns aos outros, que se movem de forma síncrona ao longo do anel. Os aglomerados em uma determinada sequência podem colidir em quatro pontos do anel, onde estão localizados os detectores de partículas.

A energia cinética de todos os feixes de hádrons no LHC quando está completamente cheio é comparável à energia cinética de um avião a jato, embora a massa de todas as partículas não exceda um nanograma e elas não possam ser vistas a olho nu. Essa energia é alcançada devido à velocidade das partículas próxima à velocidade da luz.

Os cachos percorrem um círculo completo do acelerador mais rápido que 0,0001 s, fazendo assim mais de 10 mil rotações por segundo

Metas e objetivos do LHC

A principal tarefa do Large Hadron Collider é descobrir a estrutura do nosso mundo a distâncias inferiores a 10-19 m, "sondando" com partículas com energia de vários TeV. Até o momento, já se acumularam muitas evidências indiretas de que, nessa escala, os físicos deveriam abrir uma certa “nova camada de realidade”, cujo estudo fornecerá respostas a muitas perguntas da física fundamental. O que exatamente essa camada de realidade se tornará não é conhecido de antemão. Os teóricos, é claro, já propuseram centenas de vários fenômenos que poderiam ser observados em energias de colisão de vários TeV, mas é o experimento que mostrará o que realmente é realizado na natureza.

Busca por Nova Física O Modelo Padrão não pode ser considerado a teoria definitiva das partículas elementares. Deve ser parte de alguma teoria mais profunda da estrutura do micromundo, a parte que é visível em experimentos de colisores em energias abaixo de 1 TeV. Tais teorias são coletivamente referidas como "Nova Física" ou "Além do Modelo Padrão". A principal tarefa do Grande Colisor de Hádrons é obter pelo menos os primeiros indícios do que é essa teoria mais profunda. Para combinar ainda mais as interações fundamentais em uma teoria, várias abordagens são usadas: teoria das cordas, que foi desenvolvida na teoria M (teoria das branas), teoria da supergravidade, gravidade quântica em loop, etc. confirmação experimental. O problema é que, para realizar os experimentos correspondentes, são necessárias energias inatingíveis em aceleradores de partículas modernos. O LHC permitirá experimentos que antes eram impossíveis e provavelmente confirmará ou refutará algumas dessas teorias. Assim, há toda uma gama de teorias físicas com dimensões maiores que quatro que sugerem a existência de "supersimetria" - por exemplo, a teoria das cordas, que às vezes é chamada de teoria das supercordas precisamente porque sem supersimetria ela perde seu significado físico. A confirmação da existência da supersimetria seria, portanto, uma confirmação indireta da veracidade dessas teorias. Estudando os quarks top O quark top é o quark mais pesado e, além disso, é a partícula elementar mais pesada descoberta até agora. De acordo com os últimos resultados do Tevatron, sua massa é de 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Por causa de sua grande massa, o quark top até agora foi observado apenas em um acelerador, o Tevatron; outros aceleradores simplesmente não tinham energia para produzi-lo. Além disso, os quarks top são de interesse dos físicos não apenas por si só, mas também como uma “ferramenta de trabalho” para estudar o bóson de Higgs. Um dos canais mais importantes para a produção do bóson de Higgs no LHC é a produção associativa juntamente com o par quark-antiquark top. Para separar de forma confiável esses eventos do fundo, primeiro é necessário estudar as propriedades dos próprios quarks top. Estudar o mecanismo da simetria eletrofraca Um dos principais objetivos do projeto é provar experimentalmente a existência do bóson de Higgs, partícula prevista pelo físico escocês Peter Higgs em 1964 no âmbito do Modelo Padrão. O bóson de Higgs é um quantum do chamado campo de Higgs, ao passar por onde as partículas experimentam resistência, que representamos como correções à massa. O próprio bóson é instável e tem uma grande massa (mais de 120 GeV/c2). De fato, os físicos não estão tão interessados ​​no bóson de Higgs em si, mas no mecanismo de Higgs de quebra de simetria da interação eletrofraca. Estudo do plasma quark-gluon Espera-se que aproximadamente um mês por ano seja gasto no acelerador no modo de colisões nucleares. Durante este mês, o colisor vai acelerar e colidir em detectores não prótons, mas núcleos de chumbo. Em uma colisão inelástica de dois núcleos em velocidades ultra-relativísticas, um aglomerado denso e muito quente de matéria nuclear é formado por um curto período de tempo e depois decai. Entender os fenômenos que ocorrem neste caso (a transição da matéria para o estado de plasma quark-glúon e seu resfriamento) é necessário para construir uma teoria mais perfeita das interações fortes, que será útil tanto para a física nuclear quanto para a astrofísica. A busca pela supersimetria A primeira conquista científica significativa dos experimentos no LHC pode ser a prova ou refutação da "supersimetria" - a teoria de que qualquer partícula elementar tem um parceiro muito mais pesado, ou "superpartícula". Estudo das colisões fóton-hádron e fóton-fóton A interação eletromagnética de partículas é descrita como uma troca de fótons (em alguns casos virtuais). Em outras palavras, os fótons são portadores do campo eletromagnético. Os prótons são eletricamente carregados e cercados por um campo eletrostático, respectivamente, este campo pode ser considerado como uma nuvem de fótons virtuais. Qualquer próton, especialmente um próton relativístico, inclui uma nuvem de partículas virtuais como parte integrante. Quando os prótons colidem uns com os outros, as partículas virtuais que cercam cada um dos prótons também interagem. Matematicamente, o processo de interação de partículas é descrito por uma longa série de correções, cada uma das quais descreve a interação por meio de partículas virtuais de um certo tipo (ver: Diagramas de Feynman). Assim, ao estudar a colisão de prótons, a interação da matéria com fótons de alta energia, que é de grande interesse para a física teórica, também é estudada indiretamente. Uma classe especial de reações também é considerada - a interação direta de dois fótons, que podem colidir tanto com um próton que se aproxima, gerando colisões típicas de fóton-hádron, quanto entre si. No modo de colisões nucleares, devido à grande carga elétrica do núcleo, a influência dos processos eletromagnéticos é ainda mais importante. Testando teorias exóticas Os teóricos do final do século 20 apresentaram um grande número de ideias incomuns sobre a estrutura do mundo, que são chamadas coletivamente de "modelos exóticos". Estes incluem teorias com forte gravidade na escala de cerca de 1 TeV, modelos com um grande número de dimensões espaciais, modelos de preons nos quais os próprios quarks e léptons são compostos de partículas, modelos com novos tipos de interação. O fato é que os dados experimentais acumulados ainda não são suficientes para criar uma única teoria. E todas essas teorias são compatíveis com os dados experimentais disponíveis. Como essas teorias podem fazer previsões específicas para o LHC, os experimentadores planejam testar as previsões e procurar traços de certas teorias em seus dados. Espera-se que os resultados obtidos no acelerador sejam capazes de limitar a imaginação dos teóricos, fechando algumas das construções propostas. Outros Espera-se também detectar fenômenos físicos fora da estrutura do Modelo Padrão. Pretende-se estudar as propriedades dos bósons W e Z, interações nucleares em energias super altas, os processos de produção e decaimento de quarks pesados ​​(b e t).

Candidato a Ciências Físicas e Matemáticas E. LOZOVSKAYA.

Até que ponto um grão de matéria, como um grão de areia, pode ser esmagado? Do que é feito o mundo ao nosso redor? Como, quando e de onde vieram as estrelas, planetas e tudo mais? Essas perguntas assombram as pessoas há muito tempo. E quanto mais os cientistas penetram nos segredos da natureza, mais difíceis se tornam os experimentos científicos.

Ciência e vida // Ilustrações

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Provavelmente, cada um de nós pelo menos uma vez tentou desmontar o brinquedo para ver o que está dentro dele. Essa curiosidade também impulsiona os cientistas que procuram descobrir a estrutura da matéria até os blocos de construção mais elementares. E para realizar essa pesquisa, eles projetam e constroem instalações experimentais especiais - aceleradores.

Na fronteira da Suíça e da França, no subsolo, há um enorme túnel circular. Seu comprimento é de quase 27 km. Certa vez, nos anos 80 do século XX, esse túnel foi cavado para que pesquisadores do CERN - Centro Europeu de Pesquisa Nuclear - pudessem acelerar elétrons e pósitrons nele a velocidades tremendas. Agora, um novo acelerador foi criado neste mesmo túnel, que é chamado de Grande Colisor de Hádrons.

O que é isso?

A palavra "collider" vem do inglês colidir - colidir. Em um colisor, dois feixes de partículas voam um em direção ao outro e, após a colisão, as energias dos feixes se somam. Nos aceleradores convencionais, o feixe atinge um alvo imóvel e a energia de tal impacto é muito menor.

Por que o colisor é chamado de hádron? Entre as partículas elementares existe uma família de hádrons. Inclui prótons e nêutrons, que compõem os núcleos de todos os átomos, bem como uma variedade de mésons. Uma propriedade importante dos hádrons é que eles não são partículas verdadeiramente elementares, mas consistem em quarks "colados" por glúons.

Nem todos os hádrons podem ser dispersos em um colisor de hádrons, mas apenas um que tem carga elétrica. Por exemplo, um nêutron é uma partícula neutra, o que é evidente pelo nome, e o campo eletromagnético não atua sobre ela. Portanto, os principais objetos do experimento serão os prótons (os núcleos dos átomos de hidrogênio) e os núcleos pesados ​​de chumbo.

Hoje, o Grande Colisor de Hádrons é o mais poderoso do mundo. Com sua ajuda, os físicos esperam obter prótons com energia de 7 TeV (teraelectronvolt, ou seja, 10 12 eV). Isso significa que uma energia total de 14 TeV será liberada durante a colisão. Para obter essa energia, os prótons devem viajar quase à velocidade da luz (mais precisamente, a uma velocidade que é 0,999999991 da velocidade da luz). Além disso, cada próton em um segundo voará pelo anel de 27 quilômetros 11.000 vezes! Um feixe de prótons pode voar dentro do colisor por 10 horas. Durante esse tempo, ele superará mais de 10 bilhões de quilômetros - a distância até o planeta Netuno e vice-versa.

Como é arranjado?

Ímãs supercondutores são instalados ao longo de todo o túnel. As partículas são aceleradas em um campo elétrico e o campo magnético as direciona ao longo de um caminho circular - caso contrário, elas colidirão com a parede. Como os ímãs não são simples, mas supercondutores (apenas eles permitem atingir os valores de campo magnético necessários), eles devem ser resfriados a uma temperatura de 1,9 K. Isso é inferior à temperatura no espaço sideral (2,7 K). Para obter frio cósmico em condições terrestres, é necessário despejar 120 toneladas de hélio líquido nos sistemas de resfriamento do colisor.

Dois feixes se movem em direções opostas ao longo de dois tubos anulares. Nada deve interferir no movimento das partículas, de modo que o ar dos tubos é bombeado para um vácuo profundo. As colisões só podem ocorrer nos quatro pontos onde os tubos se cruzam. Uma colisão frontal entre duas partículas é um evento bastante raro. Quando dois feixes de 100 bilhões de partículas se cruzam, apenas 20 partículas colidem. Mas como os feixes cruzam cerca de 30 milhões de vezes por segundo, 600 milhões de colisões podem ocorrer a cada segundo.

Por que é necessário?

A interação e as transformações de partículas elementares conhecidas até hoje são bem descritas por uma teoria chamada Modelo Padrão. Mas esta teoria não pode responder a algumas perguntas. Por exemplo, não pode explicar por que algumas partículas têm uma grande massa, enquanto outras não a têm. Existe uma hipótese de que uma partícula especial, o bóson de Higgs, seja responsável pela massa. É isso que os físicos esperam descobrir quando feixes de prótons de alta energia colidem. É possível que o Grande Colisor de Hádrons nos ajude a entender o que são matéria escura e energia escura, que, segundo os astrofísicos, representam mais de 95% de toda a matéria do universo.

Nas colisões de feixes de núcleos pesados, os físicos esperam criar as condições para o Big Bang - o ponto de partida para o desenvolvimento do Universo. Acredita-se que nos primeiros momentos após a explosão, existia apenas plasma de quark-glúon. Após um centésimo de microssegundo, os quarks se combinaram em três para formar prótons e nêutrons. Até agora, nenhum experimento conseguiu "dividir" um próton e eliminar quarks individuais dele. Mas quem sabe, talvez o Grande Colisor de Hádrons dê conta dessa tarefa - afinal, quando os núcleos de chumbo colidem, ele deve atingir uma temperatura cem mil vezes maior que a temperatura no centro do Sol.

Como ver o invisível?

Infelizmente, os cientistas não têm um instrumento à sua disposição que possa registrar diretamente, por exemplo, o plasma quark-gluon: após um período insignificantemente curto de 10 a 23 segundos, ele desaparecerá sem deixar vestígios. Os resultados do experimento devem ser julgados pela "evidência" - os traços deixados pelas partículas nascidas durante o experimento. Como brincam os físicos, não é mais fácil do que recriar a aparência do Gato de Cheshire a partir de seu sorriso.

Sobre buracos negros e o "fim do mundo"

Existem muitos mitos associados ao Grande Colisor de Hádrons. Por exemplo, eles dizem que quando partículas com alta energia colidem, um buraco negro é formado, no qual ele pode “puxar” todo o nosso planeta, e o “fim do mundo” virá. Na verdade, a energia de 14 TeV, que é um recorde para a física de partículas elementares, é extremamente pequena - é dois milionésimos de joule. Levar um litro de água para ferver exigiria a energia de mais de cem bilhões de colisões próton-próton. Além disso, a Terra vem sendo bombardeada há bilhões de anos por partículas cósmicas com energias milhões de vezes maiores que a energia dos prótons no acelerador. E até agora, não levou a consequências terríveis. É verdade que alguns físicos acreditam que buracos negros aparecerão no colisor - mas microscópicos e de vida muito curta.

A energia é medida em diferentes unidades - em joules, calorias, quilowatts-hora. O sistema internacional SI inclui apenas o joule. Mas na física de partículas elementares, o elétron-volt e seus derivados - KeV, MeV, GeV, TeV - são mais frequentemente usados ​​para medir energia. O elétron-volt é uma unidade conveniente. Baseia-se na noção bem compreendida de que um único elétron é acelerado por uma diferença de potencial de 1 volt e adquire uma certa quantidade de energia no processo. 1 eV \u003d 1.6.10 -19 J. Em elétron-volts, não apenas a energia é medida, mas também a massa. De acordo com a famosa equação de Einstein E=mc 2 , energia e massa são dois lados da mesma moeda. A massa pode ser transformada em energia e vice-versa. Em um colisor, tais transformações ocorrem a cada colisão.

O fato de que a matéria consiste em partículas indivisíveis - átomos, foi sugerido pelo antigo cientista grego Demócrito (a propósito, "átomo" em grego antigo significa "indivisível"). Mas somente depois de muitos séculos, os físicos provaram que esse é o caso. Então descobriu-se que o átomo pode realmente ser dividido - consiste em elétrons e um núcleo, e o núcleo consiste em prótons e nêutrons. Mas eles, como se viu, não são as menores partículas e, por sua vez, consistem em quarks. Os físicos acreditam que os quarks são o limite da fissão da matéria e não há nada menos do que isso no mundo. E os quarks são conectados uns aos outros com a ajuda de glúons (da cola inglesa - cola).

A física de partículas é o estudo dos menores objetos da natureza. O tamanho de um átomo é 10 -10 m, o tamanho de um núcleo atômico é 10 -14 m, o tamanho de um próton e um nêutron é 10 -15 m, os elétrons são menores que 10 -18 m e os quarks são menores de 10 -19 m. Para comparar esses números, imagine que o diâmetro do próton será de cerca de 10 cm. Então os elétrons e quarks terão menos de 0,1 mm, e o átomo inteiro terá 10 km de diâmetro.