zariadenie, v ktorom sa pomocou elektrických a magnetických polí získavajú usmernené lúče elektrónov, protónov, iónov a iných nabitých častíc s energiou oveľa vyššou ako tepelná energia. V procese zrýchľovania sa rýchlosť častíc zvyšuje, často na hodnoty blízke rýchlosti svetla. V súčasnosti sa početné malé urýchľovače využívajú v medicíne (radiačná terapia) a tiež v priemysle (napríklad na implantáciu iónov do polovodičov). Veľké urýchľovače sa využívajú najmä na vedecké účely – na štúdium subjadrových procesov a vlastností elementárnych častíc ( pozri tiež ELEMENTÁRNE ČASTICE).

Podľa kvantovej mechaniky sa lúč častíc, podobne ako svetelný lúč, vyznačuje určitou vlnovou dĺžkou. Čím väčšia je energia častíc, tým je táto vlnová dĺžka kratšia. A čím je vlnová dĺžka kratšia, tým menšie sú objekty, ktoré možno skúmať, ale čím sú urýchľovače väčšie a tým sú zložitejšie. Rozvoj výskumu mikrokozmu si vyžadoval stále väčšiu energiu sondovacieho lúča. Prvými zdrojmi vysokoenergetického žiarenia boli prírodné rádioaktívne látky. Ale dali výskumníkom len obmedzený súbor častíc, intenzít a energií. V 30. rokoch 20. storočia vedci začali pracovať na inštaláciách, ktoré by dokázali produkovať rôznorodejšie lúče. V súčasnosti existujú urýchľovače, ktoré umožňujú získať akýkoľvek druh vysokoenergetického žiarenia. Ak je napríklad potrebné röntgenové alebo gama žiarenie, potom sa urýchlia elektróny, ktoré potom emitujú fotóny v procesoch brzdného žiarenia alebo synchrotrónového žiarenia. Neutróny vznikajú bombardovaním vhodného cieľa intenzívnym zväzkom protónov alebo deuterónov.

Energia jadrových častíc sa meria v elektrónvoltoch (eV). Elektrónvolt je energia, ktorú nabitá častica, nesúca jeden elementárny náboj (elektrónový náboj), získava pri pohybe v elektrickom poli medzi dvoma bodmi s rozdielom potenciálov 1 V. energia v rozsahu od tisícok do niekoľkých biliónov (10 12 ) elektrónvolty - na najväčšom urýchľovači sveta.

Na detekciu zriedkavých procesov v experimente je potrebné zvýšiť pomer signálu k šumu. To si vyžaduje stále intenzívnejšie zdroje žiarenia. Špičku modernej technológie urýchľovača určujú dva hlavné parametre – energia a intenzita lúča častíc.

Moderné urýchľovače využívajú početné a rôznorodé typy technológií: vysokofrekvenčné generátory, vysokorýchlostnú elektroniku a automatické riadiace systémy, komplexné diagnostické a riadiace zariadenia, zariadenia s ultravysokým vákuom, výkonné presné magnety ("obyčajné" aj kryogénne) a komplexné zarovnávanie. a upevňovacích systémov.

Valošek P. Cesta do hlbín hmoty. S akcelerátorom HERA na hranice poznania. M., 1995

Nájsť " URÝCHĽOVAČ ČASTÍC"na

Reštart umožní vedcom pokračovať v podrobnejšom štúdiu jedinečných vlastností antihmoty.

"Dokonca by sme mohli zistiť, či antivodík reaguje na gravitáciu," hovorí Sevior. - Toto je ťažký, ale zaujímavý test základnej fyziky. Očakávame, že antihmota sa zrýchli v reakcii na gravitáciu rovnakým spôsobom ako hmota, ale nikto to predtým neurobil; ak nie, mohlo by to obrátiť prácu gravitácie na hlavu.“

Štúdium gravitácie a extra dimenzií časopriestoru

Vedci chcú pochopiť, prečo je gravitácia taká odlišná od iných prírodných síl. Je možné, že necítime plný účinok gravitácie, pretože sa šíri do ďalších dimenzií.

Vedci sa môžu dozvedieť viac o týchto extra dimenziách pozorovaním častíc, ktoré môžu existovať iba v nich a sú skutočné.

„Namiesto supersymetrie ako zásadne novej fyziky môžeme získať ďalšie dimenzie,“ hovorí Sevior. "Teórie naznačujú, že v iných dimenziách môžu existovať ťažšie verzie štandardných častíc - Kaluza-Kleinove častice, ktoré majú väčšiu hmotnosť ako štandardné častice."

Tieto častice sa dajú zistiť iba pri zrážkach s vysokou energiou.

Vytváranie čiernych dier

Čierne diery sú miesta, kde je gravitácia taká silná, že z nej nemôže uniknúť ani svetlo.

Hviezdne čierne diery vznikajú, keď masívna gravitácia hviezdy spôsobí, že sa jej jadro náhle zrúti, zrúti do seba a vytvorí bod, odkiaľ niet návratu. Supermasívne čierne diery v centrách galaxií môžu mať milióny alebo miliardy krát hmotnosť Slnka.

Vedci navrhli, že mikroskopické alebo kvantové čierne diery, ktoré sú menšie ako atóm, by mohli existovať, ak by existovali ďalšie skryté rozmery.

Až doteraz LHC neprodukoval žiadne mikroskopické čierne diery, a ak by sa tak stalo, boli by také malé, že by sa vyparili za 10^-27 sekúnd a rozložili by sa na obyčajné alebo supersymetrické častice.

"Ak LHC skutočne vytvorí mikroskopické čierne diery, bude to dôkaz ďalších rozmerov a nezvyčajné stopy ich vzhľadu by bolo ľahké spozorovať," hovorí Sevior.

To, čo vedci nájdu, bude závisieť od počtu ďalších dimenzií, hmotnosti čiernej diery, veľkosti rozmerov a energie, pri ktorej sa čierna diera vytvorí.

Sú tam popruhy?

Podobne ako čierne diery, aj tu existuje ďalšie teoretické nebezpečenstvo vysokoenergetických zrážok na LHC – killer-strangelet.

Strapellets („podivné kvapôčky“) sú hypotetické subatomárne kúsky podivnej hmoty, pozostávajúce takmer výlučne z kvarkov up, down a podivných kvarkov, ktoré sa v súlade s teóriou stávajú tým stabilnejšie, čím viac rastú.

Jedna teória naznačuje, že podivné lietadlá dokážu zmeniť bežnú hmotu za tisícinu sekundy, zničia Zem a premenia ju na obrovského zabijaka.

Ale Sevior hovorí, že je nepravdepodobné, že sa to stane.

„Dúfam, že to nájdeme, pretože je to mimoriadne zaujímavé. A vôbec sa nebojím, pretože Zem a ostatné planéty sú bombardované vysokoenergetickými lúčmi a ak by táto podivná látka zmenila obyčajnú hmotu na podivné, dávno by zničila všetky miliardy rokov.

"Skutočnosť, že sme stále tu, je skvelým dôkazom toho, že sa nie je čoho obávať."

Ako funguje Veľký hadrónový urýchľovač?

Najväčším urýchľovačom častíc na svete je 27-kilometrový podzemný prstenec, ktorý sa nachádza na hranici medzi Francúzskom a Švajčiarskom.

Zariadenie v hodnote 10 miliárd dolárov, ktoré prevádzkuje CERN, Európska organizácia pre jadrový výskum, naráža do seba subatomárne častice takmer rýchlosťou svetla.

Na zrážku sa používajú dve susediace trubice, lúčové linky vybavené výkonnými supravodivými elektromagnetmi chladenými tekutým héliom na teploty pod -271 stupňov Celzia. Toto je najväčšia chladnička na planéte.

Tieto magnety vysielajú lúče protónov alebo atómových jadier pozdĺž každej z čiar v opačných smeroch. Zrážky častíc sa vyskytujú v štyroch obrovských podzemných detektoroch umiestnených na priesečníkoch lúčových čiar.

Prvé lúče protónov boli poslané okolo prstenca LHC 10. septembra 2008, ale o deväť dní neskôr elektrická porucha spôsobila únik tekutého hélia a jeho explóziu, čím sa zariadenie na rok zatvorilo.

V novembri 2009 sa všetko začalo odznova, ale výkon bol znížený. Začiatkom roku 2013 bol LHC zatvorený, aby sa zvýšil jeho výkon z 8 TeV na 14 TeV. Elektrónvolt je miera energie používaná v oblasti fyziky častíc na určenie množstva energie, ktorú získa jeden elektrón, keď je zrýchlený o jeden volt rozdielu elektrického potenciálu.

"Ak vystrelíme elektrón z konca 1,5-voltovej batérie, získa kinetickú energiu 1,5 elektrónu," hovorí Sevior. "Je to oveľa slabšie ako uštipnutie komárom, nevšimnete si to, ale ak zasiahnete lúč s megawattom energie, vypáli vo vás dieru."

Ide o hľadanie spôsobov, ako spojiť dve základné teórie – GR (o gravitácii) a SM (štandardný model, ktorý kombinuje tri základné fyzikálne interakcie – elektromagnetickú, silnú a slabú). Hľadanie riešenia pred vytvorením LHC bolo brzdené ťažkosťami pri vytváraní teórie kvantovej gravitácie.

Konštrukcia tejto hypotézy zahŕňa kombináciu dvoch fyzikálnych teórií - kvantovej mechaniky a všeobecnej teórie relativity.

Na to sa použilo niekoľko populárnych a potrebných prístupov v modernej dobe naraz - teória strún, teória brány, teória supergravitácie, ako aj teória kvantovej gravitácie. Pred konštrukciou urýchľovača bol hlavným problémom pri vykonávaní potrebných experimentov nedostatok energie, ktorý nie je možné dosiahnuť inými modernými urýchľovačmi častíc.

Ženevský LHC dal vedcom príležitosť uskutočniť predtým neuskutočniteľné experimenty. Predpokladá sa, že v blízkej budúcnosti sa pomocou prístroja potvrdí alebo vyvráti mnoho fyzikálnych teórií. Jednou z najproblematickejších je supersymetria alebo teória strún, ktorá na dlhý čas rozdeľovala fyzičku na dva tábory – „strunárov“ a ich rivalov.

Ďalšie zásadné experimenty uskutočnené v rámci práce LHC

Zaujímavý je aj výskum vedcov v oblasti štúdia top kvarkov, ktoré sú najväčšími a najťažšími (173,1 ± 1,3 GeV / c²) zo všetkých v súčasnosti známych elementárnych častíc.

Kvôli tejto vlastnosti mohli vedci ešte pred vytvorením LHC pozorovať kvarky iba na urýchľovači Tevatron, pretože iné zariadenia jednoducho nemali dostatok energie a energie. Teória kvarkov je zasa dôležitým prvkom senzačnej hypotézy Higgsovho bozónu.

Všetky vedecké výskumy o tvorbe a štúdiu vlastností kvarkov vykonávajú vedci v špičkovej kvarkovo-antikvarkovej parnej miestnosti na LHC.

Dôležitým cieľom ženevského projektu je aj proces štúdia mechanizmu elektroslabej symetrie, s čím súvisí aj experimentálny dôkaz existencie Higgsovho bozónu. Presnejšie povedané, predmetom skúmania nie je ani tak samotný bozón, ale mechanizmus narušenia symetrie elektroslabej interakcie, ktorú predpovedal Peter Higgs.

V rámci LHC sa uskutočňujú aj experimenty na hľadanie supersymetrie – a želaným výsledkom bude jednak dôkaz teórie, že akúkoľvek elementárnu časticu vždy sprevádza ťažší partner, ako aj jej vyvrátenie.

Skrátene LHC (Large Hadron Collider, skrátene LHC) je urýchľovač nabitých častíc v zrážkach lúčov, určený na urýchľovanie protónov a ťažkých iónov (ióny olova) a štúdium produktov ich zrážok. Zrážač postavili v CERN (Európska rada pre jadrový výskum), ktorý sa nachádza neďaleko Ženevy, na hraniciach Švajčiarska a Francúzska. LHC je najväčšie experimentálne zariadenie na svete. Na výstavbe a výskume sa podieľalo a podieľa viac ako 10 000 vedcov a inžinierov z viac ako 100 krajín.

Je pomenovaný veľký kvôli svojej veľkosti: dĺžka hlavného prstenca urýchľovača je 26 659 m; hadrónový - vďaka tomu, že urýchľuje hadróny, teda ťažké častice pozostávajúce z kvarkov; collider (anglicky collider - collider) - kvôli tomu, že lúče častíc sú urýchľované v opačných smeroch a zrážajú sa v špeciálnych kolíziových bodoch.

technické údaje

Urýchľovač má zrážať protóny s celkovou energiou 14 TeV (teda 14 teraelektrónvoltov alebo 14 1012 elektrónvoltov) v ťažiskovej sústave dopadajúcich častíc, ako aj olovené jadrá s energiou 5 GeV (5 109 elektrónvolty) pre každý pár kolidujúcich nukleónov. Začiatkom roku 2010 už LHC v protónovej energii o niečo prekonal doterajšieho šampióna – protón-antiprotónový urýchľovač Tevatron, ktorý do konca roku 2011 pracoval v Národnom urýchľovačom laboratóriu. Enrico Fermi (USA). Napriek tomu, že úprava zariadenia sa ťahá už roky a ešte nie je dokončená, LHC sa už stal najvyšším energetickým urýchľovačom častíc na svete, ktorý rádovo prekonal ostatné urýchľovače v energetickej hodnote, vrátane relativistického ťažkého iónu RHIC. zrážač pracujúci v Brookhaven Laboratory (USA).

Svietivosť LHC počas prvých týždňov behu nebola vyššia ako 1029 častíc/cm 2 s, avšak neustále sa zvyšuje. Cieľom je dosiahnuť nominálnu svietivosť 1,7·1034 častíc/cm 2 s, čo je rádovo rovnaké ako svietivosti BaBar (SLAC, USA) a Belle (anglicky) (KEK, Japonsko).

Urýchľovač sa nachádza v rovnakom tuneli, v ktorom býval Veľký elektrón-pozitrónový urýchľovač. Tunel s obvodom 26,7 km položili pod zem vo Francúzsku a Švajčiarsku. Hĺbka tunela je od 50 do 175 metrov a prstenec tunela je sklonený približne o 1,4 % vzhľadom k povrchu zeme. Na uchytenie, korekciu a zaostrenie protónových lúčov sa používa 1624 supravodivých magnetov, ktorých celková dĺžka presahuje 22 km. Magnety pracujú pri teplote 1,9 K (-271 °C), čo je mierne pod supratekutou teplotou hélia.

detektory LHC

LHC má 4 hlavné a 3 pomocné detektory:

• ALICE (experiment s veľkým urýchľovačom iónov)
• ATLAS (toroidný LHC prístroj)
• CMS (kompaktný miónový solenoid)
• LHCb (experiment krásy The Large Hadron Collider)
• TOTEM (celkové meranie elastického a difrakčného prierezu)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (monopolný a exotický detektor na LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb sú veľké detektory umiestnené okolo bodov kolízie lúčov. Detektory TOTEM a LHCf sú pomocné, nachádzajú sa vo vzdialenosti niekoľkých desiatok metrov od priesečníkov lúčov obsadených detektormi CMS a ATLAS a budú sa používať spolu s hlavnými.

Detektory ATLAS a CMS sú univerzálne detektory určené na vyhľadávanie Higgsovho bozónu a "neštandardnej fyziky", najmä tmavej hmoty, ALICE - na štúdium kvark-gluónovej plazmy pri zrážkach ťažkých iónov olova, LHCb - na štúdium fyziky b-kvarkov, ktoré umožnia lepšie porozumieť rozdielom medzi hmotou a antihmotou, je TOTEM určený na štúdium rozptylu častíc pod malými uhlami, ku ktorému dochádza pri malých rozpätiach bez kolízií (takzvané nezrážkové častice, vpred častice), čo vám umožňuje presnejšie merať veľkosť protónov, ako aj riadiť svietivosť zrážača a nakoniec LHCf - na štúdium kozmického žiarenia, modelovaného pomocou rovnakých nezrážaných častíc.

S prevádzkou LHC je spojený aj siedmy detektor (experiment) MoEDAL, určený na vyhľadávanie pomaly sa pohybujúcich ťažkých častíc.

Počas činnosti urýchľovača sa zrážky uskutočňujú súčasne vo všetkých štyroch priesečníkoch lúčov, bez ohľadu na typ urýchlených častíc (protóny alebo jadrá). Všetky detektory zároveň zbierajú štatistiky súčasne.

Zrýchlenie častíc v urýchľovači

Rýchlosť častíc v LHC na zrážaných lúčoch je blízka rýchlosti svetla vo vákuu. Urýchlenie častíc na takéto vysoké energie sa dosahuje v niekoľkých stupňoch. V prvej fáze vstrekujú nízkoenergetické lineárne urýchľovače Linac 2 a Linac 3 protóny a ióny olova na ďalšie zrýchlenie. Potom častice vstúpia do zosilňovača PS a potom do samotného PS (protónový synchrotrón), pričom získajú energiu 28 GeV. S touto energiou sa už pohybujú rýchlosťou blízkou svetlu. Potom zrýchlenie častíc pokračuje v SPS (Proton Super Synchrotron), kde energia častíc dosahuje 450 GeV. Potom je zväzok protónov odoslaný do hlavného 26,7-kilometrového prstenca, čím sa energia protónov zvýši na maximálne 7 TeV a v bodoch kolízie detektory zaznamenajú udalosti, ktoré nastanú. Dva kolidujúce protónové lúče, keď sú úplne naplnené, môžu obsahovať 2808 zväzkov. V počiatočných fázach ladenia procesu zrýchlenia cirkuluje iba jeden zväzok vo zväzku niekoľko centimetrov dlhom a malej priečnej veľkosti. Potom začnú zvyšovať počet zrazenín. Klastre sú umiestnené v pevných polohách voči sebe navzájom, ktoré sa pohybujú synchrónne pozdĺž prstenca. Zhluky v určitej sekvencii sa môžu zraziť v štyroch bodoch prstenca, kde sú umiestnené detektory častíc.

Kinetická energia všetkých hadrónových zväzkov v LHC, keď je úplne naplnená, je porovnateľná s kinetickou energiou prúdového lietadla, hoci hmotnosť všetkých častíc nepresahuje nanogram a nie je možné ich vidieť ani voľným okom. Takáto energia sa dosahuje vďaka rýchlosti častíc blízkej rýchlosti svetla.

Zväzky prejdú celým kruhom urýchľovača rýchlejšie ako 0,0001 sekundy, čím urobia viac ako 10 000 otáčok za sekundu

Ciele a zámery LHC

Hlavnou úlohou Veľkého hadrónového urýchľovača je zistiť štruktúru nášho sveta vo vzdialenostiach menších ako 10–19 m, „sondovať“ ho časticami s energiou niekoľkých TeV. K dnešnému dňu sa už nahromadilo veľa nepriamych dôkazov, že v tomto meradle by fyzici mali otvoriť určitú „novú vrstvu reality“, ktorej štúdium poskytne odpovede na mnohé otázky základnej fyziky. Čo presne sa táto vrstva reality ukáže, nie je vopred známe. Teoretici, samozrejme, už navrhli stovky rôznych javov, ktoré by bolo možné pozorovať pri zrážkových energiách niekoľkých TeV, ale až experiment ukáže, čo sa v prírode skutočne realizuje.

Hľadanie novej fyziky Štandardný model nemožno považovať za konečnú teóriu elementárnych častíc. Musí to byť súčasť nejakej hlbšej teórie o štruktúre mikrosveta, časť, ktorá je viditeľná pri experimentoch s urýchľovačmi pri energiách pod asi 1 TeV. Takéto teórie sa súhrnne označujú ako „nová fyzika“ alebo „za štandardným modelom“. Hlavnou úlohou Veľkého hadrónového urýchľovača je získať aspoň prvé náznaky, v čom spočíva táto hlbšia teória. Na ďalšiu kombináciu základných interakcií v jednej teórii sa používajú rôzne prístupy: teória strún, ktorá bola vyvinutá v teórii M (teória brány), teória supergravitácie, slučková kvantová gravitácia atď. Niektoré z nich majú vnútorné problémy a žiadna z nich nemá experimentálne potvrdenie. Problém je v tom, že na uskutočnenie zodpovedajúcich experimentov sú potrebné energie, ktoré sú na moderných urýchľovačoch častíc nedosiahnuteľné. LHC umožní experimenty, ktoré boli predtým nemožné a pravdepodobne potvrdí alebo vyvráti niektoré z týchto teórií. Existuje teda celý rad fyzikálnych teórií s rozmermi väčšími ako štyri, ktoré naznačujú existenciu „supersymetrie“ – napríklad teória strún, ktorá sa niekedy nazýva teória superstrun práve preto, že bez supersymetrie stráca fyzikálny význam. Potvrdenie existencie supersymetrie by tak bolo nepriamym potvrdením pravdivosti týchto teórií. Štúdium top kvarkov Top kvark je najťažší kvark a navyše je to najťažšia doteraz objavená elementárna častica. Podľa najnovších výsledkov z Tevatronu je jeho hmotnosť 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Kvôli svojej veľkej hmotnosti bol top kvark doteraz pozorovaný iba na jednom urýchľovači, Tevatrone, iným urýchľovačom jednoducho chýbala energia na jeho výrobu. Okrem toho sú top kvarky pre fyzikov zaujímavé nielen samy osebe, ale aj ako „pracovný nástroj“ na štúdium Higgsovho bozónu. Jedným z najdôležitejších kanálov na produkciu Higgsovho bozónu na LHC je asociatívna produkcia spolu s párom top kvark-antikvark. Aby sme takéto udalosti spoľahlivo oddelili od pozadia, je potrebné najskôr preštudovať vlastnosti samotných top kvarkov. Štúdium mechanizmu elektroslabej symetrie Jedným z hlavných cieľov projektu je experimentálne dokázať existenciu Higgsovho bozónu, častice predpovedanej škótskym fyzikom Petrom Higgsom v roku 1964 v rámci Štandardného modelu. Higgsov bozón je kvantom takzvaného Higgsovho poľa, ktorým častice pri prechode pociťujú odpor, ktorý predstavujeme ako korekcie hmotnosti. Samotný bozón je nestabilný a má veľkú hmotnosť (viac ako 120 GeV/c2). Fyzikov v skutočnosti ani tak nezaujíma Higgsov bozón ako taký, ale Higgsov mechanizmus narušenia symetrie elektroslabej interakcie. Štúdium kvark-gluónovej plazmy Predpokladá sa, že približne jeden mesiac ročne strávime v urýchľovači v režime jadrových zrážok. Počas tohto mesiaca sa urýchľovač zrýchli a zrazí sa v detektoroch nie protónoch, ale jadrách olova. Pri nepružnej zrážke dvoch jadier ultrarelativistickými rýchlosťami sa na krátky čas vytvorí hustá a veľmi horúca hruda jadrovej hmoty, ktorá sa potom rozpadne. Pochopenie javov vyskytujúcich sa v tomto prípade (prechod hmoty do stavu kvark-gluónovej plazmy a jej ochladzovanie) je nevyhnutné na zostavenie dokonalejšej teórie silných interakcií, ktorá bude užitočná tak pre jadrovú fyziku, ako aj pre astrofyziku. Hľadanie supersymetrie Prvým významným vedeckým úspechom experimentov na LHC môže byť dôkaz alebo vyvrátenie "supersymetrie" - teórie, že každá elementárna častica má oveľa ťažšieho partnera, čiže "superčasticu". Štúdium zrážok fotónov s hadrónom a fotónov s fotónom Elektromagnetická interakcia častíc je opísaná ako výmena (v niektorých prípadoch virtuálnych) fotónov. Inými slovami, fotóny sú nosičmi elektromagnetického poľa. Protóny sú elektricky nabité a obklopené elektrostatickým poľom, toto pole možno považovať za oblak virtuálnych fotónov. Akýkoľvek protón, najmä relativistický protón, zahŕňa oblak virtuálnych častíc ako integrálnu súčasť. Keď sa protóny navzájom zrazia, virtuálne častice obklopujúce každý z protónov tiež interagujú. Matematicky je proces interakcie častíc opísaný dlhou sériou korekcií, z ktorých každá popisuje interakciu pomocou virtuálnych častíc určitého typu (pozri: Feynmanove diagramy). Pri štúdiu zrážky protónov sa teda nepriamo študuje aj interakcia hmoty s vysokoenergetickými fotónmi, ktorá je veľmi zaujímavá pre teoretickú fyziku. Uvažuje sa aj o špeciálnej triede reakcií – o priamej interakcii dvoch fotónov, ktoré sa môžu zraziť tak s blížiacim sa protónom, pričom vznikajú typické kolízie fotón-hadrón, ako aj navzájom. V režime jadrových zrážok je vplyvom veľkého elektrického náboja jadra ešte dôležitejší vplyv elektromagnetických procesov. Testovanie exotických teórií Teoretici na konci 20. storočia predložili obrovské množstvo nezvyčajných predstáv o štruktúre sveta, ktoré sa súhrnne nazývajú „exotické modely“. Patria sem teórie so silnou gravitáciou v mierke okolo 1 TeV, modely s veľkým počtom priestorových rozmerov, preónové modely, v ktorých sú samotné kvarky a leptóny zložené z častíc, modely s novými typmi interakcie. Faktom je, že nahromadené experimentálne údaje stále nestačia na vytvorenie jedinej teórie. A všetky tieto teórie samotné sú kompatibilné s dostupnými experimentálnymi údajmi. Keďže tieto teórie môžu robiť špecifické predpovede pre LHC, experimentátori plánujú predpovede otestovať a hľadať vo svojich údajoch stopy určitých teórií. Očakáva sa, že výsledky získané na urýchľovači budú môcť obmedziť predstavivosť teoretikov a uzavrieť niektoré z navrhovaných konštrukcií. Iné Očakáva sa tiež detekcia fyzikálnych javov mimo rámca štandardného modelu. Plánuje sa štúdium vlastností W a Z bozónov, jadrových interakcií pri supervysokých energiách, procesov výroby a rozpadu ťažkých kvarkov (b a t).

Kandidát fyzikálnych a matematických vied E. LOZOVSKAYA.

Do akej miery sa dá rozdrviť zrnko hmoty, napríklad zrnko piesku? Z čoho sa skladá svet okolo nás? Ako, kedy a odkiaľ sa vzali hviezdy, planéty a všetko ostatné? Tieto otázky prenasledujú ľudí už dlho. A čím hlbšie vedci prenikajú do tajov prírody, tým sú vedecké experimenty náročnejšie.

Veda a život // Ilustrácie

Veda a život // Ilustrácie

Veda a život // Ilustrácie

Veda a život // Ilustrácie

Veda a život // Ilustrácie

Pravdepodobne sa každý z nás aspoň raz pokúsil rozobrať hračku, aby zistil, čo je v nej. Takáto zvedavosť ženie aj vedcov, ktorí sa snažia zistiť štruktúru hmoty až po tie najzákladnejšie stavebné kamene. A aby mohli vykonávať takýto výskum, navrhujú a stavajú špeciálne experimentálne zariadenia – urýchľovače.

Na hraniciach Švajčiarska a Francúzska sa hlboko pod zemou nachádza obrovský kruhový tunel. Jeho dĺžka je takmer 27 km. Kedysi, ešte v 80. rokoch 20. storočia, bol tento tunel vykopaný, aby výskumníci z CERNu - Európskeho centra pre jadrový výskum - v ňom mohli urýchliť elektróny a pozitróny na obrovskú rýchlosť. Teraz bol vytvorený nový urýchľovač práve v tomto tuneli, ktorý sa nazýva Veľký hadrónový urýchľovač.

Čo to je?

Slovo „collider“ pochádza z anglického collide – zraziť sa. V zrážači letia dva lúče častíc k sebe a pri zrážke sa energie lúčov sčítajú. V konvenčných urýchľovačoch lúč dopadá na nehybný cieľ a energia takéhoto dopadu je oveľa menšia.

Prečo sa urýchľovač nazýva hadrón? Medzi elementárne častice patrí rodina hadrónov. Zahŕňa protóny a neutróny, ktoré tvoria jadrá všetkých atómov, ako aj rôzne mezóny. Dôležitou vlastnosťou hadrónov je, že nie sú skutočne elementárnymi časticami, ale pozostávajú z kvarkov „zlepených dohromady“ gluónmi.

Nie každý hadrón sa dá rozptýliť v hadrónovom urýchľovači, ale iba ten, ktorý má elektrický náboj. Napríklad neutrón je neutrálna častica, čo je zrejmé už z názvu a elektromagnetické pole na ňu nepôsobí. Hlavnými objektmi experimentu preto budú protóny (jadrá atómov vodíka) a jadrá ťažkého olova.

Dnes je Veľký hadrónový urýchľovač najvýkonnejší na svete. S jeho pomocou fyzici dúfajú, že získajú protóny s energiou 7TeV (teraelektrónvolt, teda 10 12 eV). To znamená, že pri zrážke sa uvoľní celková energia 14 TeV. Na dosiahnutie tejto energie sa musia protóny pohybovať takmer rýchlosťou svetla (presnejšie rýchlosťou 0,999999991 rýchlosti svetla). Navyše každý protón za jednu sekundu preletí 27-kilometrovým prstencom 11 000-krát! Lúč protónov môže lietať vo vnútri urýchľovača 10 hodín. Za tento čas prekoná viac ako 10 miliárd kilometrov – vzdialenosť k planéte Neptún a späť.

Ako je to usporiadané?

Pozdĺž celého tunela sú inštalované supravodivé magnety. Častice sú urýchľované v elektrickom poli a magnetické pole ich nasmeruje po kruhovej dráhe – inak narazia do steny. Keďže magnety nie sú jednoduché, ale supravodivé (len vďaka nim je možné dosiahnuť požadované hodnoty magnetického poľa), musia byť pre fungovanie ochladené na teplotu 1,9 K. To je nižšia teplota ako teplota vo vesmíre (2,7 K). Na získanie kozmického chladu v pozemských podmienkach je potrebné naliať 120 ton tekutého hélia do chladiacich systémov urýchľovača.

Dva lúče sa pohybujú v opačných smeroch pozdĺž dvoch prstencových rúrok. Nič by nemalo prekážať v pohybe častíc, takže vzduch z potrubia je odčerpávaný do hlbokého vákua. Kolízie môžu nastať len v štyroch bodoch, kde sa potrubia pretínajú. Čelná zrážka dvoch častíc je pomerne zriedkavá udalosť. Keď sa dva lúče po 100 miliardách častíc pretnú, zrazí sa iba 20 častíc. Ale keďže lúče prechádzajú približne 30 miliónov krát za sekundu, každú sekundu môže dôjsť k 600 miliónom zrážok.

Prečo je to potrebné?

Doposiaľ známe interakcie a transformácie elementárnych častíc dobre popisuje teória nazývaná štandardný model. Ale táto teória nemôže odpovedať na niektoré otázky. Napríklad nedokáže vysvetliť, prečo niektoré častice majú veľkú hmotnosť, zatiaľ čo iné ju nemajú vôbec. Existuje hypotéza, že za hmotnosť je zodpovedná špeciálna častica, Higgsov bozón. To je to, čo fyzici dúfajú, že objavia, keď sa zrazia vysokoenergetické protónové lúče. Je možné, že Veľký hadrónový urýchľovač nám pomôže pochopiť, čo je temná hmota a temná energia, ktoré podľa astrofyzikov tvoria viac ako 95 % všetkej hmoty vo vesmíre.

Fyzici dúfajú, že pri zrážkach lúčov ťažkých jadier vytvoria podmienky pre Veľký tresk - východiskový bod pre vývoj vesmíru. Predpokladá sa, že v prvých okamihoch po výbuchu existovala iba kvark-gluónová plazma. Po jednej stotine mikrosekundy sa kvarky spojili do troch a vytvorili protóny a neutróny. Zatiaľ sa žiadnemu experimentu nepodarilo „rozštiepiť“ protón a vyradiť z neho jednotlivé kvarky. Ale ktovie, možno si s touto úlohou poradí Veľký hadrónový urýchľovač – veď pri zrážke jadier olova má dosiahnuť stotisíckrát vyššiu teplotu, ako je teplota v strede Slnka.

Ako vidieť neviditeľné?

Vedci, žiaľ, nemajú k dispozícii prístroj, ktorý by mohol priamo registrovať napríklad kvark-gluónovú plazmu: po nevýznamne krátkom čase 10 -23 sekúnd zmizne bez stopy. Výsledky experimentu sa musia posudzovať podľa "dôkazov" - stôp, ktoré zanechali častice narodené počas experimentu. Ako žartujú fyzici, nie je to o nič jednoduchšie, ako obnoviť vzhľad Cheshire Cat z jeho úsmevu.

O čiernych dierach a "konci sveta"

S Veľkým hadrónovým urýchľovačom sa spája veľa mýtov. Napríklad hovoria, že pri zrážke častíc s vysokou energiou vznikne čierna diera, do ktorej môže „vtiahnuť“ celú našu planétu a príde „koniec sveta“. V skutočnosti je energia 14 TeV, čo je rekord fyziky elementárnych častíc, extrémne malá – sú to dve milióntiny joulu. Privedenie jedného litra vody do varu by si vyžiadalo energiu viac ako sto miliárd zrážok protónov a protónov. Okrem toho Zem už miliardy rokov bombardujú kozmické častice s energiami miliónkrát väčšími, než je energia protónov v urýchľovači. A zatiaľ to neviedlo k žiadnym strašným následkom. Je pravda, že niektorí fyzici veria, že v urýchľovači sa objavia čierne diery – ale mikroskopické a veľmi krátke.

Energia sa meria v rôznych jednotkách – v jouloch, kalóriách, kilowatthodinách. Medzinárodná sústava SI obsahuje iba joule. Ale vo fyzike elementárnych častíc sa na meranie energie najčastejšie používa elektrónvolt a jeho deriváty - KeV, MeV, GeV, TeV. Elektrónvolt je vhodná jednotka. Vychádza z pochopiteľnej predstavy, že jeden elektrón je urýchľovaný potenciálovým rozdielom 1 volt a získava pri tom určité množstvo energie. 1 eV \u003d 1,6.10 -19 J. V elektrónvoltoch sa meria nielen energia, ale aj hmotnosť. Podľa známej Einsteinovej rovnice E=mc 2 sú energia a hmotnosť dve strany tej istej mince. Hmota sa môže premeniť na energiu a naopak. V zrážači k takýmto transformáciám dochádza pri každej zrážke.

Skutočnosť, že hmota pozostáva z nedeliteľných častíc - atómov, navrhol staroveký grécky vedec Democritus (mimochodom, "atóm" v starej gréčtine znamená "nedeliteľný"). Ale až po mnohých storočiach fyzici dokázali, že je to tak. Potom sa ukázalo, že atóm sa dá vlastne rozdeliť – skladá sa z elektrónov a jadra a jadro sa skladá z protónov a neutrónov. Ale, ako sa ukázalo, nie sú najmenšie častice a naopak pozostávajú z kvarkov. Fyzici veria, že kvarky sú limitom štiepenia hmoty a na svete nie je nič menej. A kvarky sa navzájom spájajú pomocou gluónov (z anglického lepidlo - lepidlo).

Časticová fyzika sa zaoberá štúdiom najmenších objektov v prírode. Veľkosť atómu je 10 -10 m, veľkosť jadra atómu je 10 -14 m, veľkosť protónu a neutrónu je 10 -15 m, elektróny sú menšie ako 10 -18 m a kvarky sú menšie ako 10 -19 m. Na porovnanie týchto čísel si predstavte, že priemer protónu bude asi 10 cm. Potom budú elektróny a kvarky menšie ako 0,1 mm a celý atóm bude mať priemer 10 km.