В 100 метрах під землею на кордоні Франції та Швейцарії, розташований пристрій, яке здатне відкрити таємниці світобудови. Або, на думку деяких, знищити все життя на Землі.
Так чи інакше, це найбільша машина в світі, і вона використовується для дослідження найдрібніших частинок у Всесвіті. Це Великий адронний (не андроїдний) коллайдер (LHC).
Короткий опис
LHC є частиною проекту, який очолює Європейська організація ядерних досліджень (ЦЕРН). Колайдер включений у комплекс прискорювачів ЦЕРН за межами Женеви в Швейцарії і використовується для розгону пучків протонів і іонів до швидкості, близької до швидкості світла, зіткнення частинок один з одним і записи кінцевих подій. Вчені сподіваються, що це допоможе більше дізнатися про виникнення Всесвіту та про її склад.
Що таке коллайдер (LHC)? Це найамбітніший і потужний прискорювач частинок, побудований на сьогоднішній день. Тисячі вчених із сотень країн співпрацюють і конкурують один з одним в пошуку нових відкриттів. Для збору даних експериментів передбачені 6 ділянок, розташовані уздовж окружності коллайдера.
Зроблені з його допомогою відкриття можуть стати корисними в майбутньому, але це не причина його споруди. Мета Великого адронного коллайдера – розширити наші знання про Всесвіт. Враховуючи, що LHC коштує мільярди доларів і вимагає співпраці багатьох країн, відсутність практичного застосування може бути несподіваним.
Для чого потрібен Адронний колайдер?
У спробі зрозуміти нашу Всесвіт, її функціонування і фактичну структуру, вчені запропонували теорію, звану стандартною моделлю. У ній зроблена спроба визначити і пояснити фундаментальні частинки, які роблять світ таким, яким він є. Модель поєднує елементи теорії відносності Ейнштейна з квантової теорії. У ній також враховано 3 з 4 основних сил Всесвіту: сильні та слабкі ядерні взаємодії та електромагнетизм. Теорія не стосується 4-й фундаментальної сили – сили тяжіння.
Стандартна модель дала кілька передбачень про Всесвіт, які узгоджуються з різними експериментами. Але є й інші її аспекти, які вимагали підтвердження. Один з них – теоретична частинка, звана бозоном Хіггса.
Його відкриття дає відповідь на питання про масі. Чому матерія нею володіє? Вчені ідентифікували частинки, у яких немає маси, наприклад, нейтрино. Чому у одних вона є, а у інших – ні? Фізики запропонували багато пояснень.
Найпростіше з них – механізм Хіггса. Ця теорія стверджує, що існує частка і відповідна їй сила, яка пояснює наявність маси. Раніше вона ніколи не спостерігалася, тому події, створювані LHC, повинні були довести існування бозона Хіггса, або дати нову інформацію.
Ще одне питання, яким задаються вчені, пов’язаний з зародженням Всесвіту. Тоді матерія і енергія були одним цілим. Після їх поділу частинки речовини і антиматерії знищили один одного. Якщо б кількість їх було рівним, то нічого б не залишилося.
Але, на щастя для нас, у Всесвіті матерії було більше. Вчені сподіваються спостерігати антиречовину під час роботи LHC. Це могло б допомогти зрозуміти причину різниці в кількості матерії і антиматерії, коли почалася Всесвіт.
Темна матерія
Сучасне розуміння Всесвіту передбачає, що поки можна спостерігати лише близько 4% матерії, яка повинна існувати. Рух галактик і інших небесних тіл говорить про те, що існує набагато більше видимої речовини.
Вчені назвали цю невизначену матерію темною. Спостережувана і темна матерія складають близько 25%. Інші 3/4 виходять від гіпотетичної темної енергії, яка сприяє розширенню Всесвіту.
Вчені сподіваються, що їх експерименти чи нададуть додаткові докази існування темної матерії і темної енергії, або підтвердять альтернативну теорію.
Але це лише верхівка айсберга фізики елементарних частинок. Є ще більш екзотичні і суперечливі речі, які необхідно виявити, для чого і потрібен колайдер.
Великий вибух в микромасштабах
Зіштовхуючи протони з досить великою швидкістю, LHC розбиває їх на більш дрібні атомні субчастицы. Вони дуже нестабільні, і до розпаду або рекомбінації існують лише частку секунди.
Згідно теорії Великого вибуху, спочатку з них складалася всі матерія. У міру розширення й охолодження Всесвіту вони об’єдналися у більш великі частинки, такі як протони і нейтрони.
Незвичайні теорії
Якщо теоретичні частинки, антиматерія і темна енергія, не є досить екзотичними, деякі вчені вважають, що LHC може надати докази існування інших вимірів. Прийнято вважати, що світ є чотиривимірним (тривимірне простір і час). Але фізики припускають, що можуть існувати і інші виміри, які люди не можуть сприймати. Наприклад, одна версія теорії струн вимагає наявності не менше 11 вимірювань.
Адепти цієї теорії сподіваються, що LHC надасть докази запропонованій ними моделі Всесвіту. На їхню думку, фундаментальними будівельними цеглинками є не частки, а струни. Вони можуть бути відкритими або закритими, і вібрувати подібно гітарним. Відмінність в коливаннях робить струни різними. Одні проявляють себе у вигляді електронів, а інші реалізуються як нейтрино.
Що таке коллайдер в цифрах?
LHC являє собою масивну і потужну конструкцію. Він складається з 8 секторів, кожен з яких є дугою, обмеженої на кожному кінці секцією, званої «вставкою». Довжина окружності коллайдера дорівнює 27 км.
Трубки прискорювача і камери зіткнень знаходяться на глибині 100 метрів під землею. Доступ до них забезпечує сервісний тунель з ліфтами і сходами, розташованими в декількох точках уздовж окружності LHC. ЦЕРН також побудував наземні будівлі, в яких дослідники можуть збирати і аналізувати дані, генеровані детекторами коллайдера.
Для керування пучками протонів, що рухаються зі швидкістю рівною 99,99% швидкості світла, використовуються магніти. Вони величезні, які важать кілька тонн. В LHC є близько 9 600 магнітів. Вони охолоджуються до 1,9 До (-271,25 °C). Це нижче температури космічного простору.
Протони всередині коллайдера проходять по трубах з надвисоким вакуумом. Це необхідно, щоб не було частинок, з якими вони могли б зіткнутися до досягнення мети. Єдина молекула газу може призвести до невдачі експерименту.
На окружності великого колайдера є 6 ділянок, де інженери зможуть проводити свої експерименти. Їх можна порівняти з мікроскопами з цифровою камерою. Деякі з цих детекторів величезні – ATLAS являє собою пристрій довжиною 45 м, висотою 25 м і вагою 7 т.
В LHC задіяно близько 150 млн датчиків, які збирають дані і відправляють їх в обчислювальну мережу. Згідно ЦЕРН обсяг інформації, одержуваної під час експериментів, становить близько 700 МБ/с.
Очевидно, що такого коллайдеру потрібно багато енергії. Його річна потужність становить близько 800 ГВт∙год. Вона могла бути набагато більше, але об’єкт не працює в зимові місяці. За даними ЦЕРН вартість енергії становить близько 19 млн євро.
Зіткнення протонів
Принцип, що лежить в основі фізики коллайдера, досить простий. Спершу проводиться запуск двох пучків: одного – за годинниковою стрілкою, а другого – проти. Обидва потоку прискорюються до швидкості світла. Потім їх направляють назустріч одне одному і спостерігають результат.
Обладнання, необхідне для досягнення цієї мети, набагато складніше. LHC є частиною комплексу ЦЕРН. Перш, ніж які-небудь частки увійдуть в LHC, вони вже проходять ряд кроків.
По-перше, для отримання протонів вчені повинні позбавити атоми водню електронів. Потім частинки направляються в установку LINAC 2, яка запускає їх в прискорювач PS Booster. Ці машини для прискорення частинок використовують змінне електричне поле. Утримувати пучки допомагають поля, створювані гігантськими магнітами.
Коли промінь досягає потрібного енергетичного рівня, PS Booster направляє його в суперсинхротрон SPS. Потік прискорюється ще більше і ділиться на 2808 пучків по 1,1 x 1011 протонів. SPS вводить промені в LHC за годинниковою і проти годинникової стрілки.
Усередині Великого адронного коллайдера протони продовжують прискорюватися протягом 20 хвилин. На максимальній швидкості вони здійснюють 11245 обертів навколо LHC кожну секунду. Промені сходяться на одному з 6 детекторів. При цьому відбувається 600 млн зіткнень в секунду.
Коли стикаються 2 протона, вони розщеплюються на більш дрібні частинки, у тому числі кварки і глюони. Кварки дуже нестійкі і розпадаються за частку секунди. Детектори збирають інформацію, відстежуючи шлях субатомних частинок, і направляють її в обчислювальну мережу.
Не всі протони стикаються. Інші продовжують рух до секції скидання променя, де поглинаються графітом.
Детектори
Уздовж окружності коллайдера розташовані 6 секцій, в яких проводиться збір даних і проводяться експерименти. З них детектора 4 основні і 2 меншого розміру.
Найбільшим є ATLAS. Його розміри – 46 х 25 х 25 м. Трекер виявляє і аналізує імпульс частинок, що проходять через ATLAS. Його оточує калориметр, що вимірює енергію частинок, поглинаючи їх. Вчені можуть спостерігати траєкторію їх руху і екстраполювати інформацію про них.
Детектор ATLAS також має мюонний спектрометр. Мюоны – це негативно заряджені частинки в 200 разів важче електронів. Вони єдині здатні проходити через калориметр без зупинки. Спектрометр вимірює імпульс кожного мюона датчиками заряджених частинок. Ці сенсори можуть виявляти флуктуації в магнітному полі ATLAS.
Компактний мюонний соленоїд (CMS) є детектором загального призначення, який виявляє і вимірює субчастицы, що вивільняються під час зіткнень. Прилад знаходиться всередині гігантського соленоїдного магніту, який може створити магнітне поле, що майже в 100 тисяч разів перевищує магнітне поле Землі.
Детектор ALICE розроблений для вивчення зіткнень іонів заліза. Таким чином дослідники сподіваються відтворити умови, подібні тим, які відбулися одразу після Великого вибуху. Вони очікують побачити, як іони перетворюються в суміш кварків і глюонов. Основним компонентом ALICE є камера TPC, службовка для вивчення і відтворення траєкторії частинок.
LHC служить для пошуку доказів існування антиречовини. Він робить це шляхом пошуку частинки, званої чарівним кварком. Ряд субдетекторов, оточуючих точку зіткнення, має 20 метрів в довжину. Вони можуть уловлювати дуже нестійкі і швидко розпадаються частинки чарівних кварків.
Експеримент ТОТЕМ проводиться на ділянці з одним із малих детекторів. Він вимірює розмір протонів і яскравість LHC, що вказує на точність створення зіткнень.
Експеримент LHC імітує космічні промені у контрольованому середовищі. Його метою є допомога у розробці широкомасштабних досліджень реальних космічних променів.
На кожній ділянці детектування працює команда дослідників, налічує від кількох десятків до понад тисячі вчених.
Обробка даних
Не дивно, що такий колайдер генерує величезний потік даних. 15 000 000 ГБ, щорічно одержуваних детекторами LHC, ставлять перед дослідниками величезну задачу. Її рішенням є обчислювальна мережа, що складається з комп’ютерів, кожен з яких здатний самостійно аналізувати фрагмент даних. Як тільки комп’ютер завершить аналіз, він відправляє результати на центральний комп’ютер і отримує нову порцію.
Вчені з ЦЕРН вирішили зосередитися на використанні відносно недорогого обладнання для виконання своїх розрахунків. Замість придбання передових серверів і процесорів використовується наявне устаткування, яке може добре працювати в мережі. За допомогою спеціального ПО мережу комп’ютерів зможе зберігати і аналізувати дані кожного експерименту.
Небезпеку для планети?
Деякі побоюються, що такий потужний колайдер може представляти загрозу для життя на Землі, в тому числі брати участь у формуванні чорних дір, «дивної матерії», магнітних монополій, радіації і т. д.
Вчені послідовно спростовують такі твердження. Утворення чорної діри неможливо, оскільки між протонами і зірками є велика різниця. «Дивна матерія» вже давно б могла утворитися під дією космічних променів, і небезпека цих гіпотетичних утворень сильно перебільшена.
Колайдер надзвичайно безпечний: він відділений від поверхні 100-метровим шаром ґрунту, а персоналу заборонено знаходитися під землею під час проведення експериментів.
