Для чего нужен коллайдер простыми словами
Большой адронный коллайдер: назначение, открытия и мифы
Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).
10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.
Как выглядит Большой адронный коллайдер
Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.
Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.
Как работает Большой адронный коллайдер
Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.
БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.
Откуда берутся протоны в для столкновения?
Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.
БАК состоит из трёх основных частей:
Зачем нужен Большой адронный коллайдер
С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.
Какие открытия совершили на БАК
На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.
Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.
С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.
Может ли коллайер уничтожить Землю
С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.
Есть две причины, чтобы не волноваться.
Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!
Большой адронный коллайдер: для чего нужен, где находится
Содержание:
Наверняка почти каждый человек на Земле, хоть раз, да слышал о большом адронном коллайдере. Вот только, несмотря на то, что многие слышали о нем, мало кто понимает, что такое адронный колладейр, каково его предназначение, в чем суть адронного коллайдера. В нашей сегодняшней статье мы ответим на эти вопросы.
Что такое адронный коллайдер
По сути адронный коллайдер представляет собой сложный ускоритель элементарных частиц. С его помощью физикам удается разогнать протоны и тяжелые ионы. Изначально адронный коллайдер создавался для подтверждения существования бозона Хиггса, неуловимой элементарной частицы, которую физики порой в шутку называют «частичкой Бога». И да, существование этой частички было подтверждено экспериментально с помощью коллайдера, а сам ее первооткрыватель Питер Хиггс получил за это нобелевскую премию по физике в 2013 году.
Разумеется, одним лишь бозоном Хиггса дело не ограничилось, помимо него физиками были найдены и некоторые другие элементарные частицы. Теперь вы знаете ответ на вопрос, зачем нужен адронный коллайдер.
Что представляет собой большой адронный коллайдер
Прежде всего, необходимо заметить, что большой адронный колайдер не возник на пустом месте, а появился как эволюция своего предшественника – большого электрон-позитронного коллайдера, представляющего собой 27-ми километровый подземный туннель, строительство которого началось еще в 1983 году. В 1988 году кольцевой тоннель сомкнулся, притом интересно то, что строители подошли к делу очень тщательно, настолько, что расхождение между двумя концами туннеля составляет лишь 1 сантиметр.
Так выглядит схема адронного коллайдера.
Электрон-позитронный коллайдер проработал до 2000 года и за время его работы в физике был сделан с его помощью целый ряд открытий, среди которых открытие W и Z бозонов и их дальнейшее исследование.
С 2001 года на месте электрон-позитронного коллайдера началось уже строительство коллайдера адронного, которое закончилось в 2007 году.
Где находится адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, в долине женевского озера, всего лишь в 15 км от самой Женевы. И располагается он на глубине 100 метров.
Место расположения адронного коллайдера.
В 2008 году начались его первые испытания под патронатом ЦЕРН – Европейской организации по ядерным исследованиям, которая на данный момент является крупнейшей лабораторией в мире в области физики высоких энергий.
Для чего нужен адронный коллайдер
С помощью этого гигантского ускорителя элементарных частиц физики могут проникать так глубоко внутрь материи, как никогда раньше. Все это помогает, как подтверждать старые научные гипотезы, так и создавать новые интересные теории. Детальное изучение физики элементарных частиц помогает нам приблизиться в поисках ответов на вопросы об устройстве Вселенной, о том, как она зародилась.
Глубокое погружение в микромир позволяет открыть революционно новые пространственно-временные теории, и как знать, может быть, даже удастся проникнуть в тайну времени, этого четвертого измерения нашего мира.
Как работает адронный коллайдер
Теперь давайте опишем, как собственно работает большой адронный коллайдер. О принципах его работы говорит название, так как само слово «коллайдер» с английского переводится как «тот, кто сталкивает». Главная его задача – устроить столкновение элементарных частиц. Причем частицы в коллайдере летают (и сталкиваются) на скоростях, близких к скоростям света. Результаты столкновений частиц фиксируют четыре основных больших детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и множество вспомогательных детекторов.
Более детально принцип работы адронного коллайдера описан в этом интересно видео.
Опасность адронного коллайдера
В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва черная дыра. Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.
А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.
Что такое Большой адронный коллайдер и для чего он нужен?
Пожалуй, всему миру известно грандиознейшее научное сооружение Европы. Это Большой адронный коллайдер, который построили неподалёку от швейцарского города Женева.
Перед его запуском было немало панических слухов о грядущем конце света. Также говорили о том, что установка нанесёт непоправимый вред экологии Швейцарии. Однако годы идут, коллайдер работает, а мир остаётся прежним. Для чего же построили столь огромную и дорогостоящую конструкцию? Давайте разберёмся.
Что такое Большой адронный коллайдер?
В конструкции Большого адронного коллайдера или БАК нет ничего мистического. Это всего лишь ускоритель заряженных элементарных частиц, который необходим для разгона тяжёлых частиц и изучения продуктов, образующихся при их столкновении с другими частицами.
Во всём мире есть больше десятка аналогичных установок. В частности, российские ускорители в подмосковной Дубне и в Новосибирске.
БАК был впервые запущен в 2008 году. Но из-за случившейся вскоре аварии он долгое время работал на невысокой энергетической мощности. Лишь с 2015 года стала возможной эксплуатация установки на расчётных мощностях.
Как и практически все подобные установки, БАК представляет собой тоннель, проложенный в виде кольца. Он находится на глубине примерно 100 метров на границе между Францией и Швейцарией. Строго говоря, в систему БАК входит две установки, одна меньшего, другая большего диаметра.
Длина большого тоннеля превосходит размеры всех прочих существующих сегодня ускорителей и составляет 25,5 километров, из-за чего коллайдер получил название Большого.
Для чего построен коллайдер?
Современным физикам удалось разработать теоретическую модель Вселенной, объединяющую три фундаментальных взаимодействия из четырёх существующих и названную Стандартной моделью (СМ).
Однако она пока не может считаться всеобъемлющей теорией строения мира, поскольку практически неисследованной остаётся область, названная учёными теорией квантовой гравитации и описывающая гравитационное взаимодействие.
БАК
Кстати, ведущую роль в нём, согласно теории, должен играть механизм образования массы частиц, названный бозоном Хиггса.
Учёные всего мира надеются, что исследования, проводимые на БАК, позволят изучить свойства бозона Хиггса экспериментальным путём. Кроме того, немалый интерес представляет изучение кварков – так называются элементарные частицы, образующие адроны. В частности, из-за них коллайдер назвали адронным.
Как функционирует БАК?
БАК – это круглый тоннель, который состоит из основного и вспомогательного колец. Стенки тоннеля сложены из множества мощнейших электромагнитов, которые генерируют поле, ускоряющее микрочастицы.
Начальный разгон происходит во вспомогательном тоннеле, но необходимую скорость частицы набирают в основном кольце, после чего несущиеся навстречу частицы сталкиваются, а результат их столкновения фиксируют высокочувствительные приборы.
В результате многочисленных экспериментов в июле 2012 года руководство ЦЕРН (Европейского совета ядерных исследований) объявило о том, что эксперименты позволили обнаружить бозон Хиггса.
В настоящее время продолжается изучение этого явления, так как многие его свойства отличаются от предсказанных в теории.
Для чего людям нужен БАК?
Затраты на строительство БАК составили, по разным сведениям, свыше 6 млрд долларов США. Сумма становится намного более внушительной, если вспомнить ежегодные расходы на эксплуатацию установки. Для чего нужно нести столь существенные расходы, какую пользу принесёт коллайдер обычным людям?
Исследования, запланированные и уже происходящие на БАК, в перспективе могут открыть людям доступ к дешёвой энергии, которую можно будет получать буквально из воздуха.
Для чего людям нужен БАК?
Это будет, возможно, наиболее грандиозная научно-техническая революция в истории человечества. Кроме того, разобравшись в механизме бозона Хиггса, люди, возможно, получат власть над гравитацией.
Безусловно, открытия, которые будут сделаны при помощи Большого адронного коллайдера, не позволят нам прямо завтра овладеть технологией преобразования вещества в энергию или создать антигравитационный летательный аппарат – практические результаты ожидаются лишь в отдалённом будущем. Однако эксперименты позволят сделать ещё несколько небольших шагов к пониманию сути строения Вселенной.
Десять лет Большому адронному коллайдеру: чудо современной физики
10 сентября 2008 года в ЦЕРНе было официально объявлено о запуске Большого Адронного Коллайдера. Сегодня мы расскажем вам о том, как появилась идея этого грандиозного проекта и чем современная физика ему обязана.
Вначале о терминологии и ее следствиях. Адроны — это элементарные частицы. Конкретно БАК сделан для столкновений пучков протонов, запущенных в кольцо ускорителя на очень больших (меньше скорости света всего на 3 метра в секунду) скоростях. Сталкиваясь, они порождают уйму других частиц. Многие из них живут слишком недолго, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Физики регистрируют продукты их распада, а то и результаты последующих распадов.
Примерно один месяц в году вместо протонов в кольцо БАКа отправляются ионы свинца, которые тоже сталкиваются на приличных скоростях.
Коллайдер — это ускоритель, в котором сталкиваются пучки разогнанных частиц. Возможен и иной вариант — когда эти частицы бомбардируют неподвижную мишень. Нам это сейчас неинтересно, поскольку на БАКе этого нет.
Ну, а «большой» он из-за геометрических размеров. Длина основного кольца — 26 659 м. Сегодня это — самый большой ускоритель в мире.
Концепция коллайдера рождалась примерно с 1984 года. Спустя десять лет она получила официальное признание и началось проектирование. Для размещения конструкций был использован кольцевой тоннель, прежде занятый Большим электрон-позитронным коллайдером. Последний был демонтирован в 2000 году. Первые устройства БАК были смонтированы в следующем году.
Главная задача БАК (иногда используется латинская аббревиатура LHC) — поиск данных, свидетельствующих о том, что реальная физика элементарных частиц отличается от Стандартной модели. Последняя была сформулирована теоретиками во вторую половину XX века и описала взаимосвязь сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и порождаемые ими последствия в мире элементарных частиц.
«За кадром» осталась гравитация. Она, очевидно, есть, но сформулировать теорию, объединяющую ее с другими взаимодействиями, ученые пока не смогли. Это порождает предположения, что Стандартная модель должна быть частью какой-то более общей концепции. В популярной литературе она условно называется «Новой физикой». Или — что Стандартная модель в принципе неверна и надо все придумывать заново. Последний вариант для большинства физиков даже симпатичнее, поскольку сулит большую свободу для творческой фантазии.
Отдельная тема — опыты со столкновенями ионов свинца, во время которых изучается кварк-глюонная плазма, очень интересный вид материи.
Что из этого вышло?
Да, по‑хорошему, ничего. Стандартная модель оказалась очень живучей, за десять лет так и не удалось найти чего-то существенно ставящего ее под сомнение. Было документировано несколько событий, которые не наблюдались ранее, но, в целом, не стали большим сюрпризом. Так, в 2011 году были открыты два новых вида распада Bs-мезонов — частиц, в составе которых есть как «странный кварк» (s-кварк), так и «прелестный кварк» (b-кварк).
Это самое громкое на сегодня открытие, сделанное на LHC. Частица была предсказана в рамках Стандартной модели еще в середине 60-х годов, но экспериментально ее обнаружить все это время не удавалось — имеющимся ускорителям не хватало мощности. Автор гипотезы британский физик Питер Хиггс неоднократно заявлял, что знаменитый бозон не будет открыт при его жизни. Он не был единственным скептиком — Стивен Хокинг даже выразил готовность заключить пари на небольшую сумму относительно того, что бозон Хиггса на БАКе обнаружен не будет.
Тем не менее, в июле 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125.3 ± 0.6 ГэВ. Скорее всего, это и есть знаменитый бозон Хиггса, хотя некоторые специалисты в этом по‑прежнему не уверены.
Во всяком случае, Питер Хиггс за подтвердившееся предсказание получил Нобелевскую премию 2013 года. Нобелевский комитет очевидно торопился — лауреату было уже хорошо за 80.
Выплатил ли Хокинг свой проигрыш достоверно неизвестно, но можно предполагать, что его гораздо больше огорчило очередное подтверждение Стандартной модели. Как было бы здорово формулировать Новую Физику!
Большой адронный коллайдер проработает до 2037 года. Что будет следующим шагом в строительстве ускорителей пока не очень понятно. Физиков интересует увеличение светимости, т. е., выражаясь упрощенно, количества детектируемых столкновений. Может быть этого можно достичь на ускорителях традиционной, кольцевой, архитектуры. Все принципы и технологии освоены и изучены, но кольцо получается очень большим и дорогим.
Может быть следующий флагман физики будет линейным ускорителем. Это существенно экономнее по энергии, но тогда нужны новые способы разгона частиц, иначе установка опять оказывается слишком большой — порядка сотен километров.
Может быть речь пойдет об ускорителе на основе иных принципов — фотонном или мюонном, но этих принципов в разработанном виде пока нет.
Отдельная интересная тема — вероятный ускоритель для изучения бозона Хиггса. БАК вполне подошел для его обнаружения, но изучать частицу на нем неудобно. Слишком много посторонних событий, на фоне которых трудно выявить нужное. Напрашивается конструкция, оптимизированная именно под бозон Хиггса, на которой его образование/распад регистрировались бы значительно чаще, чем сейчас и с меньшим количеством помех.
А как же черные дыры?
Это страшилка десятилетней давности: вот запустят свихнувшиеся очкарики свой коллайдер, в нем там возникнет маленькая черная дыра, она скушает вещество вокруг себя, подрастет, скушает еще и т. п. Короче говоря, в итоге поглощена будет вся планета.
Это смешно звучит, но были ведь пылкие люди, педалировавшие эту тему и даже подававшие судебные иски.
Прошло десять лет. Видимо, дыра родилась, поглотила все вокруг, включая нас, а мы этого и не заметили. Так и живем.
Так блэт, а когда там черную дыру сделают и на работу ходить не надо. А то давно обещали.
Надеюсь, что он не взорвался и не создал черную дыру 10 лет назад, потому что хочу верить в то, что происходит вокруг, и это не плод моей фантазии
Как время то летит! Мне вспоминается, что это было совсем недавно. Помню даже как пугали что коллайдер сделает чёрную дыру и все умрут.
То чувство, когда ничего не понял, но всё равно интересно
я бы лучше почитал про то, как рф продала необходимые для постройки технологии и почти ничего с этого не поимела
Как раз сейчас атомную физику и теорию поля начали изучать в институте. Хоть узнаю, зачем нужен коллайдер)
Псиионизационное излучение(я его только что придумал) БАК’а стабилизировало гиперпространство и пространство, да так, что все боги, демоны и загробные миры окрестностей схлопнулись. Также оно запустило цепную реакцию по преобразованию маны(тип энергии-излучения неквалифицированной в стандартной модели) в аналогичное излучение и деструктурировало энергетику потенциальных магов(Наиболее распространёнными последствиями являются раковыми опухолями).
Это происходило во смежном мире, но порталы(не смогли перенести ни одного живого человека) спасающихся магов перенесли часть излучения в наш мир. Увы, но способность излучения к саморепликации оказалось слишком сильна, и мы лишились магии задолго до задокументированных исторических событий.
«Физиков интересует увеличение светимости, т. е., выражаясь упрощенно, количества детектируемых столкновений»
100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?
100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?
Целью второго этапа станет поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или, возможно, замена нынешней стандартной модели физики частиц. Начать строительство, согласно одобренному 19 июня документу, предполагается в 2038 году. Правда, проекту придётся преодолеть несколько серьёзных проблем.
Другая проблема заключается в том, что огромная часть технологий, которые потребуется для ускорителя второго этапа, ещё не разработаны. Хотя здесь есть и положительный момент — эти технологии станут предметом интенсивного изучения на ближайшие десятилетия. До создания нового коллайдера CERN будет продолжать эксплуатировать модернизированную версию нынешнего под названием High Luminosity LHC, который в настоящее время строится, а ориентировочно с 2024 года начнётся, собственно, модернизация, которая продлится около 2,5 лет. Так почему вообще коллайдер?
Дело в том, что на сегодняшний день у нас нет столь же надёжного эквивалентного способа искать ответы на вопросы мироздания. В конце концов, именно ускоритель частиц может помочь открыть антиматерию, которая позволит нам путешествовать между звёздами. Вполне вероятно, что в итоге мы дойдём и до строительства коллайдера космических масштабов, но для начала надо достичь текущую цель
В ЦЕРН уточнили свойства загадочной частицы X(3872)
Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила о новых данных, полученных при анализе частицы X(3872). Частица была обнаружена в 2003 г. в эксперименте Belle (KEK, Исследовательская организация ускорителей высоких энергий, Япония), но до сих пор специалистам не удалось прийти к единому мнению о кварковой структуре этой частицы. Участникам эксперимента LHCb удалось с лучшей в мире точностью измерить ширину и массу X(3872), а также сделать некоторые предположения о ее природе. Эксперименты на детекторе КЕДР электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН помогли специалистам CERN с высокой точностью измерить один из параметров X(3872). Результаты опубликованы на сайте ЦЕРН.
«Как правило, если какая-то частица открыта, то уже через пару лет у специалистов появляется понимание, что она из себя представляет. Исследование X(3872) уникально в том смысле, что на протяжении уже семнадцати лет с ее открытия у нас все еще нет представления о ее внутренней структуре, – рассказал сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ), кандидат физико-математических наук Иван Беляев. – Нам были известны лишь ее довольно необычные свойства. Во-первых, при большой массе X(3872) ее ширина настолько маленькая, что мы практически не видели ее, а, во-вторых, ее масса совпадает с суммой масс двух других частиц – D0 и D*0 (D-ноль-мезон и возбужденный D-ноль-мезон)».
Частица X(3872) очень интересна специалистам. Статья, в которой сообщалось об открытии этого состояния, высокоцитируемая, на нее дается свыше 1700 ссылок. Это самая цитируемая работа эксперимента Belle. При этом для подобных экспериментальных работ уже 500 ссылок считается рекордом.
«Гипотез о природе частицы X(3872) довольно много, но основных три, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, участник коллаборации LHCb, доктор физико-математических наук Семен Эйдельман. – Например, гипотеза тетракварка предполагает, что частица состоит из c кварка и анти-c кварка, а также пары легких кварка и антикварка (u или d). Другая гипотеза описывает X(3872) как молекулу. Третья гипотеза, которую выдвинул выдающийся российский и американский физик-теоретик Михаил Волошин (Университет Миннесоты), называется адрочармоний – состояние, в центре которого связанные c и анти c кварки, а вокруг них облако легких пи-мезонов, то есть совокупность легкого адрона и чармония». Семен Эйдельман пояснил, что сегодня физическое сообщество склоняется к мнению, что X(3872) – это и обычное связанное состояние c кварка и анти c кварка, и молекула одновременно.