Наука и техника
→ Наука
Большой адронный коллайдер
Мы долго ходили в округ этой темы, потому что она слишком большая и наконец взялись за нее. Если в двух словах, то это такое кольцо, в котором происходит множество столкновений, который называется большим адронным коллайдером. Половина жителей Земли совсем не понимает что происходит внутри этого гиганта. Давайте разберемся, для чего же нужен адронный коллайдер стоимостью миллиарды долларов.
Все происходит в Европейском Центре ядерных исследований(ЦЕРН), который находится в "Столице мира" Женеве, Швейцария. Сравнительно небольшое государство в котором проживает порядка 8-ми миллионов жителей, меньше чем в Москве. Но шоколад здесь славится своими традициями, банки педантичностью, а часы точностью. Неудивительно, что самый дорогой в мире прибор, был построен именно здесь, который находится всего в пяти километрах от центра города.
Вы не поверите, но ученые до сих пор точно не знают откуда у вещества берется масса. Английский физик-теоретик Питер Хиггс предположил, что все пространство пронизано неким полем. Частицы двигаясь в этом поле испытывают сопротивление, и чем больше это сопротивление, тем большую массу приобретает та или иная частица. Возможно что масса, это что-то вроде силы трения, которую испытывает частица о поле Хиггса.
Представьте движение шариков в очень вязкой жидкости, некоторые из них слабо взаимодействуют с полем и проскакивают, другие увязают и приобретают значительную массу. Частицы такого поля ученые назвали бозоном Хиггса. Чтобы подтвердить гипотезу и найти эту частицу, необходимо добраться до самых глубин атома.
У ореха и атома есть кое что общее, это оболочка и ядро. Орех можно уронить на пол, и если не разбился, поднять намного выше. Пока орех летит, на него постоянно действует сила притяжения и он постепенно разгоняется. К земле его скорость увеличивается и энергии удара хватит чтобы скорлупа разлетелась в разные стороны, а ядро раскололось. Чтобы обнаружить бозон Хиггса, который прячется внутри ядра атома, его нужно разбить также как и орех.
Ученые попытаются засечь бозон Хиггса в эксперименте, который продлится целый год. Для этого адроны придется разбивать невиданной до сих пор энергией на уникальном приспособлении в большом адронном коллайдере. Самый грандиозный в мире научный прибор расположился на границе Швейцарии и Франции, в тоннеле длиной 27 километров.
Чтобы космическое излучение и другие факторы не мешали исследованиям, тоннель поместили на глубину 100 метров, надежно защищенный от внешних воздействий. Удачно, что такую махину не пришлось прокладывать специально, подошел тоннель от предыдущего ускорителя, который неплохо поработал на ученых. В четырех точках тоннеля, были вырыты шахты для установки нового оборудования. Миллионы кубометров грунта были подняты на поверхность, а после того как все земляные работы были закончены, наступил самый сложный этап.
В строительстве коллайдера приняли участие более 50-ти стран. Основные части детектора собирались в дали от Швейцарии, их перевозка в ЦЕРН стала нетривиальной задачей для дорожных служб. Монтаж оборудования велся сразу пятью группами специалистов. На каждом из 4-ех детекторов работали независимые команды, а пятая команда подготавливала старый тоннель к новым задачам. Все шахты разные и их проектировали с учетом оборудования, которое придется спускать вниз. Монтаж и настройка всех установок заняли 6 лет.
В ускоритель запускают протоны, это важно потому что они имеют положительный электрический заряд. Если подвести к ним положительно заряженные электроды, они будут отталкиваться от него почти как магниты повернутые друг к другу одинаковыми полюсами. При движении по кругу достаточно в нужный момент поднести заряд чтобы протоны оттолкнулись от него и ускорились. С каждым большим кольцом скорость движения нарастает. Чтобы увеличить энергию столкновения, пучки разгоняют навстречу друг другу, и они пересекаются в тех местах, где и стоят детекторы.
Важно чтобы во время эксперимента пучки были стабильными, для этого каждый магнит в кольце ускорителя может настраиваться отдельно. Ученые должны абсолютно точно знать скорость, до которой разгонятся частицы, чтобы безошибочно вычислить их энергию.
Детекторы находятся во Франции и служат для фиксации результатов глобального эксперимента. Этот отдельный комплекс построен на том месте, где в глубокой шахте находится один из четырех основных детекторов большого адронного коллайдера. Детекторы это почти как камеры на фотофинише, только они фиксируют траектории разлета частиц. Каждый из детекторов оптимизирован для определения частиц того или иного вида, таким образом вычисляется энергия и тип частиц, что помогает ученым увидеть полную картину столкновения.
Размеры детектора действительно поражают, его общая длина составляет примерно около 60-ти метров. А теперь представьте, что все это находится в огромной полости на глубине ста метров под землей, но спускаться в них при работающем ускорителе опасно из-за радиации. Поэтому без особого пропуска с дозиметром пройти эти ворота не получится. Но на этот случай у ученых есть своя уловка, если нельзя работать с самим детектором, можно проводить настройку и оптимизацию, а также диагностику возникающих проблем на его уменьшенной модели, в детекторе переходного излучения.
В центр собирается вся информация, которую обрабатывает в супер компьютер с десятками тысяч процессоров, и хоть он и не самый мощный в мире, его архитектура заслуживает отдельного внимания. Компьютерный центр является мозгом ЦЕРНа, куда приходят данные со всех испытаний. Если сохранять информацию обо всех исследованиях, понадобится сотни dvd каждый час. Хранят такой массив данных на магнитных лентах, а вот обрабатывают информацию всем миром. Метод опробован, недаром именно их этих стен 20 лет назад вышел Интернет. По высокоскоростным каналам связи к компьютерному центру, подключаются ученые из десятков лабораторий со всего мира. Они собирают часть данных и пересчитывают их на своих машинах. В результате скорость решения конкретных задач возрастает на порядок.
Все происходит в Европейском Центре ядерных исследований(ЦЕРН), который находится в "Столице мира" Женеве, Швейцария. Сравнительно небольшое государство в котором проживает порядка 8-ми миллионов жителей, меньше чем в Москве. Но шоколад здесь славится своими традициями, банки педантичностью, а часы точностью. Неудивительно, что самый дорогой в мире прибор, был построен именно здесь, который находится всего в пяти километрах от центра города.
Для чего нужен адронный коллайдер?
Наше тело состоит из клеток, клетки из молекул, молекулы из атомов, атомы из электронов и ядер, а ядра в свою очередь состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы относятся к классу адроны. Но а коллайдер(англ. collider от collide – сталкиваться), сталкивает эти мельчайшие частицы.
Вы не поверите, но ученые до сих пор точно не знают откуда у вещества берется масса. Английский физик-теоретик Питер Хиггс предположил, что все пространство пронизано неким полем. Частицы двигаясь в этом поле испытывают сопротивление, и чем больше это сопротивление, тем большую массу приобретает та или иная частица. Возможно что масса, это что-то вроде силы трения, которую испытывает частица о поле Хиггса.
Представьте движение шариков в очень вязкой жидкости, некоторые из них слабо взаимодействуют с полем и проскакивают, другие увязают и приобретают значительную массу. Частицы такого поля ученые назвали бозоном Хиггса. Чтобы подтвердить гипотезу и найти эту частицу, необходимо добраться до самых глубин атома.
У ореха и атома есть кое что общее, это оболочка и ядро. Орех можно уронить на пол, и если не разбился, поднять намного выше. Пока орех летит, на него постоянно действует сила притяжения и он постепенно разгоняется. К земле его скорость увеличивается и энергии удара хватит чтобы скорлупа разлетелась в разные стороны, а ядро раскололось. Чтобы обнаружить бозон Хиггса, который прячется внутри ядра атома, его нужно разбить также как и орех.
Ученые попытаются засечь бозон Хиггса в эксперименте, который продлится целый год. Для этого адроны придется разбивать невиданной до сих пор энергией на уникальном приспособлении в большом адронном коллайдере. Самый грандиозный в мире научный прибор расположился на границе Швейцарии и Франции, в тоннеле длиной 27 километров.
Строительство адронного коллайдера
Чтобы космическое излучение и другие факторы не мешали исследованиям, тоннель поместили на глубину 100 метров, надежно защищенный от внешних воздействий. Удачно, что такую махину не пришлось прокладывать специально, подошел тоннель от предыдущего ускорителя, который неплохо поработал на ученых. В четырех точках тоннеля, были вырыты шахты для установки нового оборудования. Миллионы кубометров грунта были подняты на поверхность, а после того как все земляные работы были закончены, наступил самый сложный этап.
В строительстве коллайдера приняли участие более 50-ти стран. Основные части детектора собирались в дали от Швейцарии, их перевозка в ЦЕРН стала нетривиальной задачей для дорожных служб. Монтаж оборудования велся сразу пятью группами специалистов. На каждом из 4-ех детекторов работали независимые команды, а пятая команда подготавливала старый тоннель к новым задачам. Все шахты разные и их проектировали с учетом оборудования, которое придется спускать вниз. Монтаж и настройка всех установок заняли 6 лет.
Как работает адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер условно можно разделить на две основные части. Первое это ускоритель - целый каскад колец по которым разгоняются частицы до столкновения.
Вторая это детекторы, которые фиксируют результаты этих столкновений. Кольцо ускорителя в конечном этапе это труба, внутри которой находится два канала. Внутри в вакууме движутся пучки протонов, а сверхпроводящие магниты удерживают пучки внутри этих каналов. Чтобы разогнать частицы почти до максимально возможной в природе скорости 300 км/сек, нужно пройти несколько этапов. В ускоритель запускают протоны, это важно потому что они имеют положительный электрический заряд. Если подвести к ним положительно заряженные электроды, они будут отталкиваться от него почти как магниты повернутые друг к другу одинаковыми полюсами. При движении по кругу достаточно в нужный момент поднести заряд чтобы протоны оттолкнулись от него и ускорились. С каждым большим кольцом скорость движения нарастает. Чтобы увеличить энергию столкновения, пучки разгоняют навстречу друг другу, и они пересекаются в тех местах, где и стоят детекторы.
Важно чтобы во время эксперимента пучки были стабильными, для этого каждый магнит в кольце ускорителя может настраиваться отдельно. Ученые должны абсолютно точно знать скорость, до которой разгонятся частицы, чтобы безошибочно вычислить их энергию.
Детекторы адронного коллайдера
Детекторы находятся во Франции и служат для фиксации результатов глобального эксперимента. Этот отдельный комплекс построен на том месте, где в глубокой шахте находится один из четырех основных детекторов большого адронного коллайдера. Детекторы это почти как камеры на фотофинише, только они фиксируют траектории разлета частиц. Каждый из детекторов оптимизирован для определения частиц того или иного вида, таким образом вычисляется энергия и тип частиц, что помогает ученым увидеть полную картину столкновения.
Размеры детектора действительно поражают, его общая длина составляет примерно около 60-ти метров. А теперь представьте, что все это находится в огромной полости на глубине ста метров под землей, но спускаться в них при работающем ускорителе опасно из-за радиации. Поэтому без особого пропуска с дозиметром пройти эти ворота не получится. Но на этот случай у ученых есть своя уловка, если нельзя работать с самим детектором, можно проводить настройку и оптимизацию, а также диагностику возникающих проблем на его уменьшенной модели, в детекторе переходного излучения.
Детектор переходного излучения
Система построена из тех же компонентов что и подземный детектор. Это позволяет досконально изучить и разобраться в возникающих проблемах и своевременно найти оптимальные решения. Кроме того, система служит платформой для тестов и помогает ученым отработать внештатные ситуации. В центре управления детектором, стекается вся информация о его работе, где ученые получают результаты столкновения. К каждому элементу на детекторе включены контрольные датчики, и если что-нибудь пойдет не так, операторы сразу это увидят и будут прикладывать усилия чтобы исправить ситуацию.
Компьютерный центр
В центр собирается вся информация, которую обрабатывает в супер компьютер с десятками тысяч процессоров, и хоть он и не самый мощный в мире, его архитектура заслуживает отдельного внимания. Компьютерный центр является мозгом ЦЕРНа, куда приходят данные со всех испытаний. Если сохранять информацию обо всех исследованиях, понадобится сотни dvd каждый час. Хранят такой массив данных на магнитных лентах, а вот обрабатывают информацию всем миром. Метод опробован, недаром именно их этих стен 20 лет назад вышел Интернет. По высокоскоростным каналам связи к компьютерному центру, подключаются ученые из десятков лабораторий со всего мира. Они собирают часть данных и пересчитывают их на своих машинах. В результате скорость решения конкретных задач возрастает на порядок.
Ускоритель работает и частицы разогнаны до нужной скорости, пучки выходят на нужные параметры. Самое время включать детектор, но сначала в защищенном режиме. Чтобы поймать заветный бозон Хиггса, ученым необходимо перебрать очень много данных. Прежде чем физики смогут выделить его на фоне других частиц, могут понадобиться годы. Столкновения начались успешно, это большая удача и видите никакая черная дыра нас не поглотила. Эксперимент идет и сейчас, а что он принесет, не могут сказать и физики. Но мы помним, что открытие тридцатых годов прошлого века, сегодня дали нам компьютеры и сотовые телефоны. Так что если мы хотим увидеть результаты, придется немного подождать, лет так двадцать...
