Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — это крупнейший и самый мощный ускоритель частиц в мире, расположенный в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) на границе Швейцарии и Франции. Он был создан для изучения фундаментальных частиц и сил, составляющих основу Вселенной, и проверки теорий современной физики, таких как Стандартная модель и гипотезы, выходящие за её рамки.
История создания и общие характеристики
LHC был задуман в 1980-х годах как следующий шаг после предыдущих ускорителей CERN, таких как LEP (Large Electron-Positron Collider). Проект официально утвердили в 1994 году, а строительство началось в 1998 году. Первый запуск состоялся 10 сентября 2008 года, но через несколько дней произошла авария из-за неисправности в сверхпроводящем магните, что задержало полноценную работу до 2009 года.
Основные характеристики:
- Расположение: LHC находится в кольцевом туннеле длиной 26,7 км, расположенном на глубине от 50 до 175 метров под землёй. Туннель пересекает границу Швейцарии и Франции.
- Диаметр кольца: около 8,5 км.
- Энергия столкновений: на момент 2025 года LHC работает с энергией до 13,6 ТэВ (тераэлектронвольт) для протон-протонных столкновений, что близко к проектной энергии 14 ТэВ.
- Цена: строительство и запуск LHC обошлись примерно в 4,75 миллиарда швейцарских франков (около 5 миллиардов долларов США на момент завершения).
Принцип работы
LHC — это синхротрон, тип ускорителя частиц, который разгоняет заряженные частицы (в основном протоны или ионы) до скоростей, близких к скорости света, и сталкивает их для изучения продуктов столкновений. Вот как это работает:
Ускорение частиц
- Источник частиц: Протоны получают из атомов водорода, ионизируя их (удаляя электроны). Затем их предварительно ускоряют в меньших ускорителях (линейный ускоритель Linac 4, протонный синхротрон Booster, протонный синхротрон PS и супер-протонный синхротрон SPS) перед подачей в LHC.
- Кольцо LHC: Частицы движутся по двум встречным трубам (для двух пучков) внутри кольца. Пучки содержат миллиарды протонов, сгруппированных в "пакеты" (bunches), которые циркулируют с частотой около 11 245 оборотов в секунду.
- Сверхпроводящие магниты: Для удержания частиц на круговой траектории используются 1232 дипольных магнита, создающих магнитное поле до 8,33 Тесла. Магниты охлаждаются до температуры 1,9 К (-271,25°C) с помощью жидкого гелия, чтобы достичь сверхпроводимости.
- Радиочастотные полости: Они обеспечивают ускорение частиц, "подталкивая" их электрическими полями в нужные моменты.
Столкновения
- Пучки сталкиваются в четырёх основных точках кольца, где расположены детекторы: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Эти столкновения происходят с частотой до 40 миллионов раз в секунду.
- При столкновениях высвобождается огромная энергия, создавая условия, близкие к тем, что были в ранней Вселенной через доли секунды после Большого взрыва.
Детекторы
- ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и CMS (Compact Muon Solenoid): Универсальные детекторы, предназначенные для поиска бозона Хиггса, тёмной материи, дополнительных измерений и других явлений. Они подтвердили существование бозона Хиггса в 2012 году.
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment): Специализируется на изучении кварк-глюонной плазмы, состояния материи, существовавшего в ранней Вселенной.
- LHCb (Large Hadron Collider beauty): Исследует асимметрию между материей и антиматерией, фокусируясь на b-кварках (beauty quarks).
- Кроме того, есть меньшие эксперименты, такие как TOTEM и LHCf, изучающие специфические аспекты столкновений.
Сбор и обработка данных
- Каждое столкновение производит огромное количество данных (до нескольких петабайт в год). Специальная вычислительная сеть CERN (Worldwide LHC Computing Grid) распределяет данные по центрам обработки по всему миру.
- Детекторы фиксируют траектории, энергию и импульс частиц, позволяя учёным реконструировать события.
Научные цели
LHC был создан для ответа на ключевые вопросы физики частиц и космологии. Основные цели:
- Подтверждение Стандартной модели:
- Проверка существования бозона Хиггса, который объясняет происхождение массы частиц. Это было достигнуто в 2012 году (ATLAS и CMS обнаружили частицу с массой около 125 ГэВ).
- Изучение свойств других фундаментальных частиц (кварков, лептонов, бозонов).
- Поиск физики за пределами Стандартной модели:
- Исследование суперсимметрии (SUSY), которая предполагает существование партнёров для известных частиц.
- Поиск тёмной материи, например, через обнаружение нейтралино или других гипотетических частиц.
- Проверка теорий дополнительных измерений (например, теории струн).
- Изучение возможных нарушений известных законов физики, таких как CP-нарушение.
- Кварк-глюонная плазма:
- ALICE изучает условия, существовавшие через микросекунды после Большого взрыва, когда кварки и глюоны не были связаны в протоны и нейтроны.
- Асимметрия материи и антиматерии:
- LHCb исследует, почему Вселенная состоит преимущественно из материи, а не антиматерии.
- Космологические вопросы:
- Косвенное изучение тёмной энергии и структуры Вселенной через свойства частиц.
Ключевые достижения
- 2012: Открытие бозона Хиггса — одно из величайших достижений физики XXI века. Это подтвердило механизм Хиггса, объясняющий, как частицы приобретают массу.
- Уточнение параметров Стандартной модели: LHC предоставил данные, которые уточнили массы и взаимодействия частиц, таких как топ-кварк и W-бозон.
- Кварк-глюонная плазма: ALICE подтвердила существование этого состояния материи при столкновениях тяжёлых ионов.
- Поиск редких процессов: LHCb обнаружил редкие распады B-мезонов, что помогает понять асимметрию материи и антиматерии.
- Ограничения на суперсимметрию: Хотя суперсимметричные частицы пока не обнаружены, LHC установил строгие ограничения на их возможные массы.
Технические вызовы и модернизации
LHC — это инженерный шедевр, но его работа сопряжена с множеством сложностей:
- Сверхпроводимость: Поддержание магнитов при температуре ниже 2 К требует сложной криогенной системы, использующей тысячи тонн жидкого гелия.
- Высокая радиация: Детекторы и электроника подвергаются интенсивному излучению, что требует устойчивых материалов.
- Обработка данных: Объём данных, генерируемых LHC, сравним с годовым трафиком интернета в некоторых странах.
Модернизации:
- 2013–2015 (Long Shutdown 1): Увеличение энергии столкновений с 8 до 13 ТэВ.
- 2018–2021 (Long Shutdown 2): Улучшение детекторов и инфраструктуры для повышения светимости (частоты столкновений).
- High-Luminosity LHC (HL-LHC): Проект, начатый в 2020-х годах, направлен на увеличение светимости в 5–10 раз к 2029 году. Это позволит собирать больше данных для поиска редких процессов.
Безопасность и мифы
LHC вызвал опасения в обществе, особенно перед первым запуском в 2008 году. Некоторые мифы:
- Чёрные дыры: Были опасения, что LHC создаст микроскопические чёрные дыры, которые поглотят Землю. Учёные опровергли это, указав, что такие чёрные дыры, если и образуются, будут нестабильными и исчезнут за доли секунды (в соответствии с излучением Хокинга).
- Радиация: Уровень радиации строго контролируется, и туннель LHC безопасен для окружающей среды.
CERN провёл множество исследований, подтвердивших безопасность LHC. Энергия столкновений в LHC значительно ниже, чем у космических лучей, которые постоянно бомбардируют Землю.
Значимость и влияние
- Наука: LHC изменил наше понимание Вселенной, подтвердив ключевые аспекты Стандартной модели и открыв путь к новым теориям. Открытие бозона Хиггса принесло Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру Нобелевскую премию по физике в 2013 году.
- Технологии: Разработки для LHC привели к прорывам в криогенике, сверхпроводимости, вычислительных технологиях и медицинской визуализации (например, улучшение ПЭТ-сканеров).
- Образование и международное сотрудничество: В проекте участвуют тысячи учёных из более чем 100 стран, что делает LHC примером глобального научного сотрудничества.
Будущее LHC
- HL-LHC: С 2029 года LHC будет работать в режиме высокой светимости, что увеличит количество столкновений и шансы обнаружить редкие явления.
- Будущие ускорители: CERN рассматривает проекты, такие как Future Circular Collider (FCC), который будет в 3–4 раза больше LHC и сможет достигать энергий до 100 ТэВ.
- Поиск новых физических явлений: Учёные надеются найти следы тёмной материи, суперсимметрии или других явлений, которые помогут объединить квантовую механику и общую теорию относительности.
Интересные факты
- LHC потребляет около 120 МВт электроэнергии, что сравнимо с энергопотреблением небольшого города.
- Туннель LHC изначально был построен для LEP в 1980-х годах, что позволило сэкономить на строительстве.
- Данные с LHC обрабатываются в реальном времени с помощью искусственного интеллекта и машинного обучения для фильтрации значимых событий.
- В 2016 году в детекторе CMS был зафиксирован аномальный сигнал (750 ГэВ), который вызвал волнение в научном сообществе, но позже оказался статистической флуктуацией.
|
