Какие датчики используются в адронном коллайдере. Что такое коллайдер и зачем он нужен? Для чего нужен Адронный коллайдер
Об этом загадочном устройстве ходит множество слухов, многие утверждают что он уничтожит Землю, создав искусственную черную дыру и положив конец существованию человечества. В реальности же это устройство может вывести человечество на совершенно новый уровень, благодаря исследованиям, проведенным учеными. В этой теме я попытался собрать всю необходимую информацию для того, чтоб у вас сложилось впечатление о том, что такое Большой адронный коллайдер (БАК)
Итак, в этой теме собрано все, что вам нужно знать об адронном коллайдере. 30 марта 2010 года в CERN (европейская организация ядерных исследований) произошло историческое событие – после нескольких неудачных попыток и множества модернизаций создание самой большой в мире машины для разрушения атомов было окончено. Предварительные тесты, инициирующие столкновения протонов на относительно низкой скорости проводились в течение 2009 и при этом не возникло никаких существенных проблем. Готовилась почва для экстраординарного эксперимента, который будет проведен весной 2010. У основной экспериментальной модели БАК в основе заложено столкновение двух протонных лучей, которые сталкиваются на максимальной скорости. Это мощнейшее столкновение разрушает протоны, создавая экстраординарные энергии и новые элементарные частицы. Эти новые атомные частицы чрезвычайно непостоянны и могут существовать лишь в течение доли секунды. Аналитический аппарат, входящий в состав БАК, может сделать запись этих событий и детально проанализировать. Таким образом ученые пытаются смоделировать возникновение черных дыр.
30 марта 2010, два луча протонов были выпущены в 27-километровый тоннель Большого Адронного Коллайдера в противоположных направлениях. Они были ускорены до скорости света, на которой и произошло столкновение. Была зарегистрирована побивающая рекорды энергия 7 TeV (7 тераэлектронвольт). Величина этой энергии рекордная и имеет очень важные значения. Теперь давайте познакомимся с самыми важными составляющими БАК – датчиками и детекторами, которые регистрируют происходящее во фракциях за те доли секунд, в течение которых происходит столкновение протонных лучей. Есть три датчика, выполняющие центральные роли во время столкновения 30 марта 2010 – это одни из важнейших частей коллайдера, играющие ключевую роль во время сложных экспериментов CERN. На диаграмме показано расположение четырех основных экспериментов (ALICE, ATLAS, CMS и LHCb), которые являются ключевыми проектами БАК. На глубине от 50 до 150 метров под землей были выкопаны огромные пещеры специально для гигантских датчиков-детекторов
Начнем с проекта под названием ALICE (аббревиатура от Большой экспериментальный ионный коллайдер). Это одна из шести экспериментальных установок, построенных на БАК. ALICE настроена для исследования столкновений тяжёлых ионов. Температура и плотность энергии образованной при этом ядерной материи достаточной для рождения глюонной плазмы. На фотографии детектор ALICE и все его 18 модулей
Внутренняя система слежения (ITS) в ALICE состоит из шести цилиндрических слоев кремниевых датчиков, окружающих пункт столкновения и измеряющих свойства и точные положения появляющихся частиц. Таким образом могут быть легко обнаружены частицы, содержащие тяжелый кварк 
Одним из основных экспериментов БАК является также ATLAS. Эксперимент проводится на специальном детекторе, предназначенном для исследования столкновений между протонами. Длина ATLAS – 44 метра, 25 метров в диаметре и вес приблизительно 7000 тонн. В центре тоннеля сталкиваются лучи протонов, это самый большой и самый сложный из когда либо построенных датчиков такого типа. Датчик фиксирует все, что происходит во время и после столкновения протонов. Целью проекта является обнаружение частиц, до этого не зарегистрированных и не обнаруженных в нашей вселенной.
Открытие и подтверждение Бозона Хиггса
– важнейший приоритет Большого Адронного Коллайдера, потому что это открытие подтвердило бы Стандартную Модель возникновения элементарных атомных частиц и стандартной материи. Во время запуска коллайдера на полную мощность целостность Стандартной Модели будет разрушена. Элементарные частицы, свойства которых мы понимаем лишь частично, не будут в состоянии поддерживать свою структурную целостность. У Стандартной Модели есть верхняя граница энергии 1 TeV, при увеличении которой частица распадается. При энергии в 7 TeV могли бы быть созданы частицы с массами, в десять раз больше чем ныне известные. Правда они будут очень непостоянны, но ATLAS разработан, чтобы обнаружить их в те доли секунды, прежде чем они "исчезнут"
Это фото считается самым лучшим из всех фотографий Большого Адронного Коллайдера:
Компактный мюонный соленоид (Compact Muon Solenoid
) является одним из двух огромных универсальных детекторов элементарных частиц на БАК. Около 3600 ученых из 183 лабораторий и университетов 38 стран, поддерживают работу CMS, которая построила этот детектор и работает с ним. Соленоид расположен под землей в Цесси на территории Франции, близ границы со Швейцарией. На схеме показано устройство CMS, о котором мы и расскажем подробнее
Самый внутренний слой - основанный на кремнии трекер. Трекер - самый большой в мире кремниевый датчик. У этого есть 205 m2 кремниевых датчиков (приблизительно область теннисного корта), включающих 76 миллионов каналов. Трекер позволяет измерять следы заряженных частиц в электромагнитном поле
На втором уровне находиться Электромагнитный калориметр. Адронный Калориметр, находящийся на следующем уровне, измеряет энергию отдельных адронов, произведенных в каждом случае
Следующий слой CMS Большого Адронного Коллайдера – огромный магнит. Большой Соленоидный Магнит составляет 13 метров в длину и имеет 6-метровый диаметр. Состоит он из охлаждаемых катушек, сделанных из ниобия и титана. Этот огромный соленоидный магнит работает на полную силу, чтоб максимизировать время существования частиц
5 слой - Мюонные детекторы и ярмо возврата. CMS предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях LHC. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие - в поисках новой физики.
Очень немного информации доступно об эксперименте 30 марта 2010, Но один факт известен точно. CERN сообщила, что был зарегистрирован беспрецедентный выброс энергии на третьей попытке запуска коллайдера, когда лучи протонов мчались вокруг 27-километрового тоннеля и затем столкнулись на скорости света. Рекордный зарегистрированный уровень энергии был зафиксирован на максимуме, который может выдать в его текущей конфигурации – приблизительно 7 TeV. Именно такое количество энергии было характерно для первых секунд начала Большого Взрыва, давшего начало существованию нашей вселенной. Изначально такой уровень энергии не ожидался, но результат превзошел все ожидания
На схеме показано, как ALICE фиксирует рекордный выброс энергии в 7 TeV:
Этот эксперимент будет повторен сотни раз в течение 2010 года. Чтобы вы поняли, насколько сложен этот процесс, можно привести аналогию разгону частиц в коллайдере. По сложности это равнозначно например выстрелу иголками с острова Ньюфаундленд с такой идеальной точностью, чтобы эти иглы столкнулись где-нибудь в Атлантике, облетев весь Земной шар. Главная цель – обнаружение элементарной частицы – Бозона Хиггса, которая лежит в основе Стандартной Модели построения вселенной
При удачном исходе всех этих экспериментов мир самых тяжелых частиц в 400 ГэВ (так называемая Темная Материя)может наконец быть открыт и исследован.
Почти всю прошлую неделю ленты новостных СМИ пестрели сообщениями о ЦЕРНе, Большом адронном коллайдере и найденной там новой частице. В итоге она и правда оказалась бозоном Хиггса - частицей, которая подтверждает Стандартную модель, - а значит, ученые наконец могут быть уверены в своих взглядах на устройство мира.
Сегодня FURFUR публикует дневник научного сотрудника ЦЕРН Степана Образцова. Он рассказал не только о поисках бозона Хиггса и работе адронного коллайдера, но и о традициях жизни этого города ученых со своими языком, рок-группами и фестивалями.
О первом визите: Первый раз я появился в ЦЕРНе, наверное, когда мне было около года и позже - примерно в пять лет - так что для меня это второе родное место после России. Тогда там работал мой отец. Я впитывал в себя все происходящее вокруг, отец уже в детстве мне объяснял какие-то вещи. В ЦЕРНе есть постоянная экспозиция для туристов, где наглядно показывают всякие простые штуки: например, там есть искровая камера - в ней частица пролетает через камеру, наполненную газом и с проволокой под напряжением, и вызывает искру. В общем, он мне объяснял, какие частицы летят из космоса, почему и когда их видно и так далее.
Об образовании: Позже я окончил МГУ на кафедре физики космоса. Когда нас распределяли, я пошел в лабораторию адронных взаимодействий в НИИ ЯФ (Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына) при МГУ. Так что ездить в ЦЕРН я начал, когда еще учился - там есть летняя школа для студентов, где собираются порядка четырехсот учеников каждое лето, и уже тогда я начинал работать с адронным коллайдером из-за темы моего диплома. А сейчас я езжу в командировки и накапливаю материал для диссертации.
Так выглядит вход в ЦЕРН ночью
О работе в ЦЕРНе: Стоит сказать, что работаю я не над одной задачей, а сразу над несколькими - так делают все. Работа в ЦЕРНе всегда делится на исследовательскую и сервисную. Сервисную работу ты должен выполнять, потому что каждый институт, который участвует в коллаборации, берет на себя обязательства выполнять эти работы, не связанные с какими-то открытиями. То есть это некий обмен: проводи на коллайдере свои опыты, но за это тебе придется еще и следить за детекторами. Научной деятельностью это назвать можно, но она носит очень прикладной характер: калибровка детектора, участие в сменах на детекторе, мониторинг данных и много всего вспомогательного по настройке этой гигантской машины. Считается, что мы ездим в командировки в основном для того, чтобы выполнять сервисные работы.
Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе - это гигантское кольцо-ускоритель длиной 28 километров. В его центр помещают радиоактивный источник частиц, которые пучком запускают по небольшому кольцу, потом по линейному туннелю. Разогнавшись, они выходят на внутреннее небольшое кольцо, а потом и на главное. Эти пучки протонов пускают в кольце по два в разных направлениях, наблюдают за их движением и собирают статистику - у меня набирается по два гигабайта данных в секунду, нехилый такой объем за день получается.
На Большом адронном коллайдере стоит четыре детектора: CMS, ATLAS, LHCb и ALICE. Я работаю на CMS - он весит примерно 4,5 тысячи тонн. А его магнитное поле - 4 тесла (в два раза больше, чем все магнитное поле Земли).
Сам ЦЕРН находится в пятнадцати минутах езды от Женевы, на самой границе Франции и Швейцарии. Наукоградом (которые мы знаем по многочисленным проектам Советского Союза) он не является, так как постоянно проживающих людей там довольно мало. Вместо этого там расположен огромный хостел, в котором останавливаются инженеры, если приезжают на короткий срок. А вообще сама территория просто огромная, потому что в исследованиях задействовано огромное количество людей: в одном только эксперименте, где я участвую, - четыре тысячи человек. И каждый из этих четырех тысяч постоянно что-то делает.
Детектор CMS, вид сбоку
Детектор CMS, фронтальный вид. Детекторы имеют слоистую структуру - каждый слой регистрирует свои изменения среды
На большом кольце расположены также четыре разных детектора, которые как раз и собирают данные. Соответственно, когда пучки уже циркулируют по кольцу, включают коллиматоры (огромные магниты), которые отклоняют пучки и делают так, чтобы они столкнулись - само столкновение происходит в центре одного из детекторов. Когда протоны сталкиваются, рождаются новые частицы, которые мы регистрируем. В этом и заключается суть эксперимента. Такие запуски и столкновения происходят круглые сутки весь год - не так, что коллайдер один раз запустили, столкнули что-то, и все.
У каждого детектора есть комната управления: сам детектор находится в шахте, а контрол-рум - на поверхности, где сидит круглые сутки порядка двадцати человек, и каждый отвечает за какую-то свою подсистему детектора - ты собираешь разную информацию с частей системы и можешь потом получить общую картину. Помимо людей, которые сидят на подсистемах, есть еще люди, ответственные за сбор данных, контроль детектора в целом, есть начальник смены, человек, который отвечает за магнит - все вместе они в одной комнате сидят и наблюдают за работой.
Еще один детектор - ALICE
Так исторически сложилось, что наша лаборатория занимается физикой тяжелых ионов: это когда в кольце пускают не пучки протонов, а пучки ионов свинца или ионов золота. Особенность в том, что, когда сталкиваются ядра, то среда, в которой происходит столкновение, становится более плотной. Начали сталкивать ионы, потому что были теоретические прогнозы, что можно будет наблюдать новое состояние вещества - кварк-глюонную плазму, - в котором Вселенная находилась спустя несколько микросекунд после Большого взрыва. Это суперплотная среда, и вещество в таком состоянии обладает свойствами как твердого тела, так и газа, жидкости и плазмы. Идея эксперимента в том, чтобы сравнить то, что получается, когда ты сталкиваешь протоны и когда - ионы. Когда сталкиваешь свинец, среда насколько плотная, что некоторые частицы не могут оттуда вылететь и пролететь эту среду - они гасятся в ней. То, что такое состояние действительно есть, подтвердили в конце 2010 года.
О командировках: Приезжаю я один раз летом и один раз зимой, по два месяца. От хостела до работы мне идти полминуты. Там такой свой внутренний мирок, где находится много людей, и он достаточно сильно отличается от обычного мира. Там стирается грань между тем, что ты вроде как работаешь и отдыхаешь. Это бесконечный процесс, который нельзя остановить. Всего там обитает примерно тридцать тысяч человек, чувствуешь себя мелким винтиком в огромной машине. Сложно самостоятельно что-то изобрести или открыть, когда ты в таком гигантском аппарате задействован.
Вид из комнаты хостела в ЦЕРНе
Об устройстве ЦЕРНа: По своей структуре ЦЕРН - это международная коллаборация, в которой участвует 150 институтов из 37 стран, и своего собственного штата там мало. Большая часть людей, которые там работают, не является работниками ЦЕРНа, они занимают какие-то должности в институтах, участвующих в коллаборации, как и в моем случае. А в церновском штате состоят только самые крутые, суперзаслуженные нобелевские лауреаты на пожизненном контракте, которые уже все придумали, что могли, в этой жизни и живут в доме у подножия горы, ездят оттуда на ретромашинах. В общем, стареющие рок-звезды от физики.
В ЦЕРНЕ ОЧЕНЬ МНОГО ЛЮДЕЙ И ВСЕ ЧЕМ-ТО УВЛЕКАЮТСЯ. НАПРИМЕР, ТАМ ЕСТЬ МУЗЫКАЛЬНЫЙ КЛУБ И ОКОЛО 15 ГРУПП, КОТОРЫЕ ЛЕТОМ УСТРАИВАЮТ ФЕСТИВАЛЬ HARDRONIC |
О специализации: Каждый физик далеко не универсален. Они делятся на разные категории: если глобально, то экспериментаторы и теоретики, а между ними - те, кто занимается анализом. В свою очередь экспериментаторы делятся на тех, кто занимается физикой детектора, и тех, кто занимается физикой ускорителя. То есть те, кто разгоняет частицы и кто их регистрирует, - это разные две области, причем ускорительщики достаточно высоко ценятся, потому что их меньше в мире существует - в Москве их у нас не готовят, только в Новосибирске. Физики, которые занимаются детектором, мало знают об ускорителе, они практически не пересекаются с ускорительщиками, это отдельные две касты. Одни запускают, другие ловят.
О шифтерах: Когда ты сидишь на смене - есть утренняя, дневная и ночная, каждая по восемь часов, - там стоит куча мониторов, и тебе приходится держать в голове сразу очень много информации. Плюс все так хитро устроено, что перед тем, как ты становишься сменщиком, ты должен обучение пройти - три смены, когда ты сидишь с полноценным сменщиком, потом, когда выучился, уже тебе дают учеников. Бывало так, что я учил взрослых дядек, которые физику знают намного лучше меня. Особенность этой работы в том, что ты мало чего делаешь в одиночку, поэтому она развивает способность к контакту. Когда идет переписка между русскими (а их там очень много), у нас получается полуанглийский-полурусский язык, потому что для многих слов русских аналогов нет. Шифтер - это по-английски сменщик. Сменщиками мы друг друга не называем, называем шифтерами. А еще там никто не говорит «бозон Хиггса», все говорят просто «Хиггс».
Один из концертов на фестивале Hardronic Fest
О развлечениях: Людей в ЦЕРНе безумно много, и все они чем-то увлекаются - там есть клубы по интересам - от тяжелой атлетики и хорового пения до шахмат и фрисби. Есть музыкальный клуб - три комнаты репетиционных - и порядка пятнадцати групп, которые устраивают летом Hardronic Festival - он идет два дня с огромной большой сценой. Там выступают группы, полностью состоящие из научных сотрудников. Необычного мало - в основном какие-то кавер-группы, но все же. Там и я чуть поигрываю - когда еду, всегда гитару беру с собой. В репетиционной комнате есть все оборудование для записи - наигрываю под метроном, пишу барабаны, потом свожу.
О доступе к информации: В командировках я там был восемь раз - в сумме больше года. Но мне нет разницы никакой, где работать - здесь или там, потому что ты даже на расстоянии подключаешься к серверам ЦЕРНа. Есть гигабитные сети, которые объединяют институты по всему миру. Часть данных хранится на жестких дисках, но большая часть - на кассетах, которыми управляет специальный робот. Ты пишешь всего одну команду, сидя в Москве - робот в ЦЕРНе едет к нужной секции, достает твою кассету, вставляет ее, считывает, переводит на жесткий диск, и ты получаешь данные.
Бозон Хиггса - это частица, которая, как считается, ответственна за наличие массы у вещества. Все частицы находятся в поле, которое создает бозон Хиггса. Находясь в этом поле, они обладают массой. Есть так называемая Стандартная модель - это та модель устройства мира, которую мы все со школы проходим. В ней все взаимодействия делятся на четыре типа: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. У каждого взаимодействия есть переносчик - например, электрон у электромагнитного. Так вот, все частицы-переносчики уже давно были открыты и зафиксированы, кроме бозона Хиггса. Факт того, что он существует, говорит нам о том, что эта модель состоятельна и мы вроде как достаточно хорошо понимаем, что во Вселенной происходит. В любом случае Стандартная модель - это всего лишь модель, в физике всегда речь идет о моделях. Любая модель верна только до какого-то знака после запятой, самой точной модели не существует.
Поиском и исследованием бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере занимаются два детектора - CMS и ATLAS. Последние два года они Хиггс не открывали, а методично закрывали области, где его быть не может. И оставалось совсем маленькое окошечко, где он может оказаться. В прошлом году был собран крупный митинг всех участников коллаборации, где объявили, что за 2012 год точно смогут выяснить, существует бозон Хиггса на самом деле или нет.
Вид сбоку на детектор ATLAS. Фронтальный его вид можно посмотреть на самом первом изображении в этом материале
О процессе выгорания: Когда ускоритель только запустили, было жаркое время, потому что постоянно что-то ломалось. У нас это называлось «процесс выгорания» - то есть когда детектор только начал работать, должно было сломаться все ненадежное, чтобы потом работа вошла в нормальный темп. Постепенно детектор умирает: какие-то части - из-за того, что там радиация большая, непосредственно при столкновении и материалы все эти изнашиваются - теряют свои свойства. В конце этого года будет большое выключение коллайдера на год или даже на два года для апгрейда, будут и в детекторах копаться, и какие-то магниты менять в самом ускорителе, чтобы выйти на изначально заявленные мощности.
О том, что дальше: Вся эта работа по проектированию коллайдера начиналась в конце 1980-х, у меня отец успел во всем этом принять участие - где-то до года 1994-го. После этого произошел конфликт между русскими и американцами, и он ушел. В России очень много ребят готовят, которые потом отправятся работать в ЦЕРН, у нас в стране много ускорителей, накоплено уже немало опыта. И в ЦЕРНе потом доучиваются летом по 400 студентов в год. То есть поколения сменяются, а эксперименты продолжаются.
Большой адронный коллайдер, работающий в Швейцарии – самый известный ускоритель в мире. Этому немало способствовала шумиха, поднятая мировой общественностью и журналистами вокруг опасности этого научного проекта. Многие полагают, что это единственный коллайдер в мире, но это далеко не так. Кроме закрытого в США теватрона, на данный момент в мире существует пять работающих коллайдеров.
В Америке, в Брукхейвенской лаборатории работает ускоритель РКТИ (релятивистский коллайдер тяжелых ионов), начавший работу в 2000 году. Для его ввода в строй потребовалось вложение 2 миллиардов $. Кроме чисто теоретических экспериментов, физики, работающие на РКТИ (RHIC), разрабатываю вполне практические проекты. Среди них:
- устройство для диагностирования и лечения рака (используются направленные ускоренные протоны);
- использование лучей тяжелых ионов для создания фильтров на молекулярном уровне;
- разработка все более эффективных устройств для аккумулирования энергии, что открывает новые перспективы в использовании солнечной энергии.
Подобный этому, ускоритель тяжелых ионов, строится в России в Дубне. На этом коллайдере NICA российские физики намерены исследовать кварк-глюонную плазму.
Сейчас российские ученые проводят исследования в ИЯФ, где расположены сразу два коллайдера – ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Их бюджет составляет 0,19 млрд. $ - для первого и 0,1 – для второго. Первые испытания на ВЭПП-4М начались еще в 1994 году. Здесь разработана методика измерения массы наблюдаемых элементарных частиц с самой высокой точностью во всем мире. Кроме того, ИЯФ единственный в мире институт, зарабатывающий на фундаментальные исследования в области физики собственными силами. Ученые этого института разрабатывают и продают оборудование для ускорителей другим государствам, желающим иметь свои экспериментальные установки, но не имеющих таких наработок.
В 1999 году был запущен коллайдер Дафне в лаборатории Фраскатти (Италия), стоимость его была примерно 1/5 млрд. дол., а максимальная мощность – 0, 51 ТэВ. Это был один из первых ускорителей высоких энергий, с помощью только одного эксперимента на нем было получено более ста тысяч гиперионов (частиц атома). За это Дафне окрестили фабрикой частиц или ф-фабрикой.
За два года до запуска БАК, в 2006 году Китай запустил собственный коллайдер ВЕРС II, с мощностью 2,5 ТэВ. Стоимость этого строительства была рекордно низкой и составила 0,08 млрд. дол. Но для бюджета этой развивающейся страны такая сума была немалой; правительство Китая выделило эти средства, понимая, что без развития фундаментальных отраслей науки невозможно развитие современной промышленности. Тем более актуально вложение средств в эту область экспериментальной физики в свете истощения природных ресурсов и увеличивающейся потребности в энергоносителях.
Ваш комментарий
Еще несколько лет назад я понятия не имел что такое адронные коллайдеры, Бозон Хиггса и для чего тысячи ученых всего мира трудятся в огромном физическом кампусе на границе Швейцарии и Франции, закапывая в землю миллиарды долларов.
Затем для меня, как и многих других жителей планеты, стали привычными выражение Большой Адронный Коллайдер, знание о сталкивающихся в нем на скорости света элементарных частицах и об одном из величайших открытий последнего времени — Бозоне Хиггса.
И вот, в середине июня мне представилась возможность своими глазами увидеть то, о чем столько говорят и о чем бродит столько противоречивых слухов.
Это была не просто короткая экскурсия, а полноценный день, проведенный в крупнейшей в мире лаборатории ядерной физики — Церне. Здесь нам удалось и пообщаться с самими учеными-физиками, и увидеть массу интересного в этом научном кампусе, спуститься в святая-святых — Большой Адронный Коллайдер (а ведь когда он запущен и в нем проводятся испытания, какой-либо доступ извне к нему невозможен), побывать на заводе по производству гигантских магнитов для коллайдера, в центре Atlas, где ученые проводят анализ данных, полученных в коллайдере, тайком побывать в новейшем строящемся линейном коллайдере и даже, почти как в квесте, практически пройти по тернистому пути элементарной частицы, от конца к началу. И увидеть, откуда же все начинается…
Но обо всем этом в отдельных постах. Сегодня просто Большой Адронный Коллайдер.
Если это можно назвать просто мой мозг отказывается понять, КАК такое можно было сначала придумать, а затем построить.
2. Много лет назад эта картинка стала всемирно известной. Многие считают, что это и есть Большой Адронный в разрезе. На самом деле, это разрез одного из самых больших детекторов — CMS. Его диаметр составляет около 15 метров. Это не самый большой детектор. Диаметр Atlas-а около 22 метров.
3. Чтобы примерно понимать, что это вообще такое и насколько коллайдер большой, посмотрим на спутниковую карту.
Это предместье Женевы, совсем недалеко от Женевского озера. Именно здесь базируется огромный кампус ЦЕРНа, о котором я отдельно расскажу чуть позже, и под землей на различных глубинах располагается куча коллайдеров. Да-да. Он не один. Их десяток. Большой Адронный просто венчает эту структуру, образно говоря, завершая цепочку коллайдеров, по которым разгоняются элементарные частицы. Об этом тоже я расскажу отдельно, пройдя вместе с частицей от Большого (LHC) до самого первого, линейного Linac.
Диаметр кольца LHC составляет почти 27 километров и он залегает на глубине чуть более 100 метров (на рисунке самое большое кольцо).
В LHC есть четыре детектора — Alice, Atlas, LHCb и CMS. Мы спускались к детектору CMS.
4. Помимо этих четырех детекторов, все остальное пространство под землей представляет из себя тоннель, в котором располагается беспрерывная кишка из вот таких синих сегментов. Это магниты. Гигантские магниты, в которых создается сумасшедшее магнитное поле, в котором и двигаются со скоростью света элементарные частицы.
Всего их 1734.
5. Внутри магнит представляет из себя вот такую сложную структуру. Здесь масса всего, но самое основное — это две полые трубки внутри, в которых летают протонные пучки.
В четырех местах (в тех самых детекторах) эти трубки пересекаются и протонные пучки сталкиваются. В тех местах, где они сталкиваются, протоны разлетаются на различные частицы, что и фиксируют детекторы.
Это если вкратце говорить о том, что это за ерунда и как она работает.
6. Итак, 14 июня, утро, ЦЕРН. Мы приезжаем к малозаметному заборчику с воротами и небольшим зданием на территории.
Это вход в один из четырех детекторов Большого Адронного Коллайдера — CMS.
Здесь я хочу немного остановиться, чтобы рассказать о том, как нам вообще удалось сюда попасть и благодаря кому.
А всему «виной» Андрей, наш человек, который работает в ЦЕРНе, и благодаря которому наше посещение было не какой-то короткой скучной экскурсией, а невероятно интересным и наполненным огромным количеством информации.
Андрей (он в зеленой футболке) никогда не против гостей и всегда рад способствовать посещению этой Мекки ядерной физики.
Знаете, что интересно? Это пропускной режим в Коллайдере и в ЦЕРНе вообще.
Да, все по магнитной карте, но… сотрудник по своему пропуску имеет доступ на 95% территории и объектов.
И только те, где повышенный уровень радиационной опасности, нужен специальный доступ — это внутрь самого коллайдера.
А так — без проблем сотрудники передвигаются по территории.
На минуточку — здесь вложены миллиарды долларов и масса самого невероятного оборудования.
И тут же я вспоминаю какие-нибудь заброшенные объекты в Крыму, где все давно нафиг вырезано, но, тем не менее, все мегасекретно, снимать ни в коем случае нельзя, и объект невесть какой стратегический.
Просто здесь люди адекватно думают головой.
7. Так выглядит территория CMS. Никаких тебе понтов во внешней отделке и супер-тачек на парковке. А ведь могут себе позволить. Просто незачем.
8. ЦЕРН, как ведущий мировой научный центр в области физики, использует несколько различных направлений в части пиара. Один из них — так называемое «Tree».
В его рамках приглашаются школьные учителя по физике из разных стран и городов. Им здесь показывают и рассказывают. Затем учителя возвращаются в свои школы и рассказывают об увиденном ученикам. Какое-то количество учеников, вдохновившись рассказом, начинают с большим интересом заниматься физикой, затем идут в ВУЗы на физические специальности и в будущем, возможно, даже попадут сюда работать.
Но пока дети еще учатся в школе, у них тоже есть возможность побывать в ЦЕРНе и, конечно же, спуститься в Большой Адронный Коллайдер.
Несколько раз в месяц здесь проводятся специальные «дни открытых дверей» для одаренных детей из разных стран, влюбленных в физику.
Их отбирают те самые учителя, которые были в основе этого дерева и подают предложения в офис ЦЕРНа в Швейцарии.
Так совпало, что в день, когда мы приехали увидеть Большой Адронный Коллайдер, сюда приехала одна из таких групп из Украины — дети, воспитанники Малой Академии Наук, прошедшие сложный конкурс. Вместе с ними мы спустились на 100-метровую глубину, в самое сердце Коллайдера.
9. Слава с нашими бейджами-пропусками.
Обязательные элементы работающих здесь физиков — шлем с фонарем и ботинки с металлической пластиной на носке (чтобы при падении груза уберечь пальцы ног)
10. Одаренные дети, увлеченные физикой. Через несколько минут сбудется их места — они спустятся в Большой Адронный Коллайдер
11. Рабочие играют в домино
отдыхают перед очередной сменой под землей
12. Контрольно-управляющий центр CMS. Сюда стекаются первичные данные от основных датчиков, характеризующих функционирование системы.
Во время работы коллайдера, здесь круглосуточно работает команда из 8 человек.
13. Нужно сказать, что в настоящий момент Большой Адронный остановлен на два года для выполнения программы ремонта и модернизации коллайдера.
Дело в том, что 4 года назад на нем произошла авария, после которой коллайдер так и не работал на полную мощность (об аварии я расскажу в следующем посте).
После модернизации, которая закончится в 2014 году, он должен работать на еще большей мощности.
Если бы коллайдер сейчас работал, побывать в нем нам бы точно не удалось
14. На специальном техническом лифте мы спускаемся на глубину более 100 метров, где расположен Коллайдер.
Лифт является единственным средством спасения персонала в случае чрезвычайной ситуации, т.к. лестниц здесь нет. То есть это самое безопасное место в CMS.
По инструкции, в случае тревоги, весь персонал должен немедленно направляться к лифту.
Здесь создается избыточной давление, чтобы в случае задымления дым не попал внутрь и люди не получили отравление.
15. Борис переживает, чтобы не было задымления
16. На глубине. Здесь все пронизано коммуникациями
17. Бесконечные километры проводов и кабелей для передачи данных
18. Здесь огромное количество труб. Так называемая криогеника. Дело в том, что внутри магнитов для охлаждения используется гелий. Также необходимо охлаждение других систем, а также гидравлика.
19. В залах обработки данных, расположенных в детекторе расположен находится огромное число серверов.
Они объединены в так называемые триггеры невероятной производительности.
Например, первый триггер за 3 миллисекунды из 40 000 000 событий должен отобрать около 400 и передать их на второй триггер — высшего уровня.
20. Оптоволоконное безумие.
Компьютерные залы расположены выше детектора, т.к. здесь совсем небольшое магнитное поле, не препятствующие работе электроники.
В самом детекторе сбор данных осуществлять бы не удалось.
21. Глобальный триггер. Он состоит из 200 компьютеров
22. Какой там Apple? Dell !!!
23. Серверные шкафы надежно заперты
24. Забавный рисунок на одном из рабочих мест операторов.
25. В конце 2012 года в Большом Адронном Коллайдере в результате эксперимента таки был открыт Бозон Хиггса, и это событие широко отмечалось работниками ЦЕРНа.
Бутылки от шампанского после празднования не выбросили специально, считая, что это только начало великих дел
26. На подходе к самому детектору везде таблички, предупреждающие о радиационной опасности
26. У всех сотрудников Коллайдера есть персональные дозиметры, которые они обязаны поднести к считывающему устройству и зафиксировать свое нахождение.
Дозиметр накапливает уровень радиации и в случае приближения к граничной дозе, информирует сотрудника, а также он-лайн передает данные на пост управления, предупреждая о том, что около коллайдера находится человек, который в опасности
27. Перед самым детектором система доступа высшего уровня.
Войти можно, приложим персональную карту, дозиметр и пройдя сканирование сетчатки глаза
28. Что я и делаю
29. И вот он — детектор. Небольшое жало внутри — это что-то похожее на патрон для дрели, в котором расположены те огромные магниты, которые сейчас казались бы совсем маленькими. В настоящий момент магниты отсутствуют, т.к. проходит модернизация
30. В рабочем состоянии детектор соединен и выглядит единым целым
31. Вес детектора — 15 тысяч тонн. Здесь создается невероятное по силе магнитное поле.
32. Сравните размеры детектора с людьми и техникой, работающими внизу
33. Кабеля синего цвета — питание, красные — данные
34. Интересно, что во время работы Большой Адронный потребляет в час 180 мегаватт электроэнергии.
35. Текущие работы по обслуживанию датчиков
36. Многочисленные датчики
37. И питание к ним… обратно возвращается оптоволокно
38. Взгляд невероятно умного человека.
39. Полтора часа под землей пролетает, как пять минут… Поднявшись обратно на бренную землю, невольно задумываешься… КАК это можно сделать.
И ЗАЧЕМ они это делают….
Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.
Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider - сталкиватель) - из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.
Технические характеристики BAK
В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).
Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля - от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.
Детекторы БАК
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
- ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
- CMS (Compact Muon Solenoid)
- LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
- TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
- LHCf (The Large Hadron Collider forward)
- MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf - вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.
Детекторы ATLAS и CMS - детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE - для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb - для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM - предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf - для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.
С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.
Ускорение частиц в коллайдере
Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.
Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.
Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду
Цели и задачи БАК
Главная задача Большого адронного коллайдера - выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, "прощупав" его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности - заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.
Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера - получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» - например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк - самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе - Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК - ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса - частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» - теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций - непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).
