Co je kolidátor a proč je potřeba?

100 metrů pod zemí, na hranici Francie a Švýcarska, je zařízení, které dokáže odhalit tajemství vesmíru. Nebo podle některých zničte celý život na Zemi.

Každopádně je to největší stroj na světě a používá se k studiu nejmenších částic ve vesmíru. Toto je Large Hadron (ne Android) Collider (LHC).

Stručný popis

LHC je součástí projektu vedeného Evropskou organizací pro jaderný výzkum (CERN). Kolektor je součástí komplexu urychlovače CERN mimo Ženevu ve Švýcarsku a používá se k akceleraci protonových a iontových paprsků na rychlosti přibližující se rychlosti světla, vzájemné srážce částic a zaznamenávání výsledných událostí. Vědci doufají, že to pomůže dozvědět se více o vzniku vesmíru a jeho složení.

Co je to tlumič (LHC)? Jedná se o nejvíce ambiciózní a výkonný urychlovač částic, který byl vybudován do dnešního dne. Tisíce vědců ze stovek zemí spolupracují a navzájem si konkurují při hledání nových objevů. Pro shromažďování experimentálních dat je k dispozici 6 míst po obvodu seskupení.

Objevování s ním může být užitečné i v budoucnu, ale to není důvod pro jeho výstavbu. Cílem Large Hadron Collider je rozšířit naše znalosti vesmíru. Vzhledem k tomu, že LHC stojí za miliardy dolarů a vyžaduje spolupráci mnoha zemí, nedostatek praktických aplikací může být neočekávaný.

Co je to Hadron Collider?

Ve snaze pochopit náš vesmír, jeho fungování a jeho skutečnou strukturu navrhli vědci teorii nazývané standardní model. Pokouší se identifikovat a vysvětlit základní částice, které tvoří svět takový, jaký je. Model kombinuje prvky Einsteinova teorie relativity s kvantovou teorií. Zohledňuje také 3 ze 4 hlavních sil Vesmíru: silné a slabé jaderné interakce a elektromagnetismus. Teorie se netýká 4. fundamentální síly - gravitace.

Standardní model poskytl několik předpovědí o vesmíru, které jsou v souladu s různými experimenty. Ale existují i ​​další aspekty, které vyžadují potvrzení. Jednou z nich je teoretická část nazývaná Higgsovým bosonem.

Jeho objev poskytuje odpověď na otázky o hmotě. Proč to má záležitost? Vědci identifikovali částice, které nemají žádnou hmotu, například neutriny. Proč to někteří mají, ale jiní ne? Fyzici nabízejí mnoho vysvětlení.

Nejjednodušší je Higgsův mechanismus. Tato teorie říká, že existuje nějaká částice a její odpovídající síla, což vysvětluje přítomnost hmoty. Nikdy předtím nebylo pozorováno, takže události vytvořené LHC měly buď prokázat existenci Higgsova bosonu, nebo poskytly nové informace.

Další otázka, kterou vědci žádají, je souvisí s narozením vesmíru. Pak byla záležitost a energie jedna. Po jejich oddělení se částice hmoty a antihmoty navzájem zničily. Pokud by jejich počet byl stejný, pak by nic nezbylo.

Ale naštěstí pro nás bylo ve vesmíru víc věcí. Vědci doufají, že pozorují antihmotu, zatímco LHC funguje. To by mohlo pomoci pochopit důvod rozdílu v množství hmoty a antihmoty, když vesmír začal.

Tmavá hmota

Moderní chápání vesmíru naznačuje, že doposud lze pozorovat jen asi 4% věc, která musí existovat. Pohyb galaxií a dalších nebeských těl naznačuje, že je mnohem viditelnější.

Vědci nazvali tuto neurčitou záležitost temnou. Pozorovaná a temná hmota je asi 25%. Další tři čtvrtiny pocházejí z hypotetické temné energie, která přispívá k rozšíření vesmíru.

Vědci doufají, že jejich experimenty buď poskytnou další důkazy o existenci temné hmoty a temné energie, nebo potvrdí alternativní teorii.

Ale je to jen špička ledovce elementární fyziky částic. Existuje ještě více exotických a kontroverzních věcí, které je třeba odhalit, a proč je nutný kolidátor.

Microscale big bang

Tím, že tlačí protóny dostatečně vysokou rychlostí, LHC je rozdělí na menší atomové částice. Jsou velmi nestabilní a před rozpadem nebo rekombinací je jen zlomek sekundy.

Podle teorie Velkého třesku se původně všechny skládaly z hmoty. Když vesmír expandoval a ochladil, spojili se do větších částic, jako jsou protony a neutrony.

Neobvyklé teorie

Pokud teoretické částice, antihmoty a temná energie nejsou dostatečně exotické, někteří vědci věří, že LHC dokáže prokázat existenci jiných dimenzí. Předpokládá se, že svět je čtyřrozměrný (trojrozměrný prostor a čas). Ale fyzici předpokládají, že mohou existovat jiné dimenze, které lidé nemohou vnímat. Například jedna verze teorie strun vyžaduje alespoň 11 měření.

Přívrženci této teorie doufají, že LHC poskytne důkazy o svém navrhovaném modelu vesmíru. Podle jejich názoru základní stavební kameny nejsou částice, ale řetězce. Mohou být otevřené nebo zavřené a vibrovat jako kytara. Rozdíl v vibracích činí řetězce odlišnými. Někteří se projevují ve formě elektronů, zatímco jiní jsou realizováni jako neutriny.

Co je kolidujícím číslem?

LHC je masivní a výkonný design. Skládá se z 8 sektorů, z nichž každý je oblouk, který je na obou koncích ohraničen sekcí nazvanou "vložka". Obvod srážky je 27 km.

Trubky akcelerátoru a kolizní komory jsou umístěny 100 metrů pod zemí. Přístup k nim zajišťuje servisní tunel s výtahy a schody umístěnými v několika místech podél obvodu LHC. CERN také postavil pozemní budovy, kde mohou badatelé shromažďovat a analyzovat data generovaná detektory kolize.

Pro kontrolu protonových paprsků pohybujících se rychlostí 99,99% rychlost světla magnety. Jsou obrovské a váží několik tun. V LHC je asi 9 600 magnetů. Chladí se na 1,9K (-271,25 ° C). Je pod teplotou vnějšího prostoru.

Protony uvnitř srážky procházejí trubkami ultra-vysokým vakuem. To je nezbytné, aby nebyly žádné částice, které by se mohly setkat před dosažením cíle. Jediná molekula plynu může vést k selhání experimentu.

Na obvodu velkého srážeče, kde mohou inženýři provádět experimenty, je 6 částí. Mohou být porovnávány s mikroskopy s digitálním fotoaparátem. Některé z těchto detektorů jsou obrovské - přístroj ATLAS je 45 metrů dlouhý, 25 metrů vysoký a váží 7 tun.

LHC zaměstnává asi 150 milionů senzorů, které shromažďují data a odesílají je do počítačové sítě. Podle CERNu je množství získaných informací během experimentů asi 700 MB / s.

Je zřejmé, že takový sběrač potřebuje hodně energie. Jeho roční spotřeba energie činí přibližně 800 GWh. Mohlo by to být mnohem větší, ale zařízení nefunguje během zimních měsíců. Podle CERN je cena energie přibližně 19 milionů eur.

Protonní kolize

Princip, který je základem fyziky tlumičů, je poměrně jednoduchý. Nejprve jsou spuštěny dva nosníky: jeden ve směru hodinových ručiček a druhý proti. Oba proudy jsou zrychleny na rychlost světla. Pak jsou posíláni k sobě a pozorují výsledek.

Zařízení, které je k tomu dosaženo, je mnohem komplikovanější. LHC je součástí komplexu CERN. Než se do LHC dostanou částice, projdou již řadou kroků.

Za prvé, pro výrobu protónů musí vědci zbavit atomů vodíku elektronů. Potom jsou částice odeslány do instalace LINAC 2, která je spustí do akcelerátoru PS Booster. Tyto stroje používají pro zrychlení částic proměnné elektrické pole. Pole vytvořená obřími magnety pomáhají držet paprsky.

Když paprsek dosáhne požadované hodnoty úroveň energie PS Booster jej nasměruje na SPS super synchrotron. Tok se ještě více zrychluje a dělí se na 2808 paprsků s 1,1 x 1011 protony. SPS zavádí paprsky do LHC ve směru hodinových ručiček a proti směru hodinových ručiček.

Uvnitř Large Hadron Collider se protony stále zrychlují po dobu 20 minut. Při maximální rychlosti provádějí každou sekundu kolem LVD 11245 otáček. Rays konvergují na jeden ze 6 detektorů. Když k tomu dojde 600 milionů kolizí za sekundu.

Když se 2 protony srazí, rozdělí se na menší částice, včetně kvarků a gluonů. Quarks jsou velmi nestabilní a rozpadají se za zlomek sekundy. Detektory shromažďují informace sledováním dráhy subatomických částic a posílají je do počítačové sítě.

Ne všechny protony se srazí. Zbytek se dále pohybuje do části výboje, kde jsou absorbovány grafitem.

Detektory

Podél obvodu seskupení je 6 sekcí, ve kterých jsou shromažďovány údaje a prováděny experimenty. Z nich jsou 4 základní detektory a 2 jsou menší.

Největší je ATLAS. Jeho rozměry jsou 46 x 25 x 25 m. Tracker detekuje a analyzuje impuls částic procházejících ATLAS. Je obklopen kalorimetrem, který měří energii částic a absorbuje je. Vědci mohou sledovat trajektorii svého pohybu a extrapolovat informace o nich.

Detektor ATLAS má také mionový spektrometr. Muony jsou záporně nabité částice 200 krát těžší než elektrony. Jsou to jediní, kteří dokážou projít kalorimetrem bez zastavení. Spektrometr měří hybnost každého muonu snímači nabitých částic. Tyto snímače mohou detekovat kolísání magnetického pole ATLAS.

Kompaktní magnetický solenoid (CMS) je univerzální detektor, který detekuje a měří částice uvolněné během kolizí. Přístroj je umístěn uvnitř obří solenoidového magnetu, který může vytvořit magnetické pole, které je téměř 100 tisíckrát větší než Zemské magnetické pole.

Detektor ALICE je určen ke studiu kolizí iontů železa. Vědci tak doufají, že znovu vytvoří podmínky podobné těm, které se objevily hned po Velkém třesku. Očekávají, jak se ionty změní na směs kvarků a gluonů. Hlavním prvkem systému ALICE je kamera TPC, která slouží ke studiu a obnovení trajektorie částic.

LHC se používá k hledání důkazů o existenci antimateriálu. Dělá to tím, že hledá částice nazvanou hezký kvarku. Řada poddetektorů, které obklopují bod srážky, je dlouhá 20 metrů. Mohou vyzvednout velmi nestabilní a rychle se rozkládající částice krásných kvarků.

Experiment TOTEM se provádí na místě s jedním z malých detektorů. Měří velikost protónů a jasu LHC, což ukazuje přesnost vzniku kolize.

Experiment LHC simuluje kosmické záření v řízeném prostředí. Jejím cílem je napomáhat vývoji rozsáhlých studií o skutečných kosmických paprscích.

Tým výzkumu pracuje na každém detekčním místě, a to od několika desítek až po tisíc vědců.

Zpracování dat

Není překvapením, že takový sběrač generuje obrovský tok dat. 15 000 000 GB, které každoročně obdrží detektory LHC, představuje pro výzkumníky obrovskou výzvu. Její řešení je počítačová síť sestávající z počítačů, z nichž každá je schopna nezávisle analyzovat datový soubor. Jakmile počítač dokončí analýzu, odešle výsledky do centrálního počítače a obdrží novou dávku.

Vědci z CERN se rozhodli soustředit se na používání poměrně nenákladného vybavení k provedení svých výpočtů. Místo nákupu pokročilých serverů a procesorů se používá stávající hardware, který může fungovat dobře v síti. S pomocí speciálního softwaru bude síť počítačů schopna ukládat a analyzovat data z každého experimentu.

Nebezpečí pro planetu?

Někteří se obávají, že takový silný kolidovač může ohrozit život na Zemi, včetně účasti na tvorbě černých děr, "podivné hmoty", magnetických monopolů, radiace atd.

Vědci tyto názory důsledně vyvracejí. Tvorba černé díry je nemožná, protože existuje velký rozdíl mezi protony a hvězdami. "Podivná záležitost" mohla být vytvořena už dávno pod vlivem kosmických paprsků a nebezpečí těchto hypotetických formací je značně přehnané.

Koloid je extrémně bezpečný: je oddělený od povrchu 100-ti metrovou vrstvou půdy a pracovníci nesmí být v průběhu experimentů podzemní.