Kako deluje veliki hadronski trkalnik
LHC pospeševalnik bo deloval na podlagi efekta superprevodnosti, t.j. sposobnost nekaterih materialov, da prevajajo elektriko brez upora ali izgube energije, običajno pri zelo nizkih temperaturah. Za ohranitev žarka delcev na njegovi krožni poti so potrebna močnejša magnetna polja od tistih, ki so bila prej uporabljena v drugih pospeševalnikih CERN.
Veliki hadronski trkalnik, protonski pospeševalnik, zgrajen v Švici in Franciji, nima analogij na svetu. Ta 27 km dolg obroč je bil zgrajen na globini 100 metrov.
V njem naj bi s pomočjo 120 močnih elektromagnetov pri temperaturi blizu absolutne ničle – minus 271,3 stopinje Celzija pospešili trkajoče protonske žarke do hitrosti blizu svetlobne (99,9 odstotka).Vendar se bodo na številnih mestih njihove poti križale, kar bo omogočilo trk protonov. Nekaj tisoč superprevodnih magnetov bo vodilo delce.Ko bo energije dovolj, bodo delci trčili in tako ustvarili model velikega poka.Na tisoče senzorjev bo zabeležilo trenutek trka. Posledice protonskih trkov bodo postale glavni predmet proučevanja sveta. [ http://dipland.ru /Cybernetics/Large_andron_collider_92988]
Specifikacije
Pospeševalnik naj bi trkal protone s skupno energijo 14 TeV (to je 14 ter elektron-volt ali 14·1012 elektronvoltov) insistem središča mase vpadne delce, pa tudi jedra svinec z energijo 5 GeV (5 109 elektronvoltov) za vsak par trka nukleoni V začetku leta 2010 LHC je že nekoliko presegel dosedanjega rekorderja v energiji protonov - proton-antiprotonski trkalnik Tevatron , ki je do konca 2011 delal vNacionalni pospeševalni laboratorij. Enrico Fermi(ZDA ). Kljub temu, da nastavitev opreme poteka že leta in še ni dokončana, je LHC že postal najvišje energijski pospeševalnik delcev na svetu, ki za red velikosti presega energijo drugih trkalnikov, vključno z relativistični trkalnik težkih ionov RHIC, ki deluje v Laboratorij Brookhaven(ZDA).
Detektorji
LHC ima 4 glavne in 3 pomožne detektorje:
· ALICE (Poskus velikega ionskega trkalnika)
ATLAS (Toroidni LHC aparat)
CMS (kompaktni mionski solenoid)
LHCb (Lepotni poskus velikega hadronskega trkalnika)
TOTEM (Skupna meritev elastičnega in uklonskega preseka)
LHCf (Veliki hadronski trkalnik naprej)
MOEDAL (Detektor monopola in eksotike na LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb so veliki detektorji, ki se nahajajo okoli točk trka žarka. Detektorja TOTEM in LHCf sta pomožna, ki se nahajata na razdalji nekaj deset metrov od presečišč žarkov, ki jih zasedata detektorja CMS oziroma ATLAS, in se bosta uporabljala skupaj z glavnimi.
CMS detektor
Detektorja ATLAS in CMS sta detektorja splošnega namena, namenjena predvsem iskanju Higgsovega bozona in »nestandardne fizike«. temna snov , ALICE - za študijkvark-gluonska plazma pri trkih težkih svinčevih ionov, LHCb - za raziskave fizikeb-kvarki , kar nam bo omogočilo boljše razumevanje razlik med snov in antimaterija , TOTEM - zasnovan za preučevanje sipanja delcev pod majhnimi koti, kot je to, kar se zgodi med bližnjimi leti brez trkov (tako imenovani delci brez trka, delci naprej), kar omogoča natančnejše merjenje velikosti protonov, kot tudi nadzor svetilnosti trkalnika in končno LHCf - za raziskavekozmični žarki , modelirano z uporabo istih delcev, ki ne trčijo.
Z delom LHC je povezan tudi sedmi, precej nepomemben glede proračuna in kompleksnosti, detektor (eksperiment) MoEDAL, namenjen iskanju počasi premikajočih se težkih delcev.
Med delovanjem trkalnika potekajo trki hkrati na vseh štirih presečiščih žarkov, ne glede na vrsto pospešenih delcev (protoni ali jedra). V tem primeru vsi detektorji hkrati zbirajo statistiko.
Poraba energije
Med delovanjem trkalnika bo ocenjena poraba energije 180 M W . Ocenjena skupna poraba energije CERN za leto 2009 z upoštevanjem delujočega trkalnika - 1000 GWh, od tega 700 GWh za pospeševalnik. Ti stroški energije predstavljajo približno 10 % celotne letne porabe energijeŽenevski kanton . CERN sam ne proizvaja energije, ima le rezervodizelski generatorji.[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]
Morda bo čez nekaj let internet umaknil mesto novi, globlji integraciji oddaljenih računalnikov, ki bo omogočala ne le oddaljen prenos informacij, ki se nahajajo v različnih delih sveta, temveč tudi samodejno uporabo oddaljenih računalniških virov. V zvezi z izstrelitvijo velikega hadronskega trkalnika si CERN že več let prizadeva ustvariti takšno mrežo.
Že dolgo je učbeniško dejstvo, da so internet (ali tisto, kar imenujemo splet) izumili v Evropski organizaciji za jedrske raziskave (CERN). Okoli napisa »Svetovni splet je bil ustvarjen v teh hodnikih« na enem od običajnih hodnikov običajne stavbe CERN med dnevom odprtih vrat vedno zbere množica opazovalcev. Zdaj internet za svoje praktične potrebe uporabljajo ljudje po vsem svetu, sprva pa je bil ustvarjen, da bi lahko znanstveniki, ki delajo na istem projektu, vendar se nahajajo na različnih koncih planeta, komunicirali med seboj, izmenjevali podatke, objavljali informacije. do katerih bi lahko dostopali za dostop na daljavo.
Sistem GRID razvijajo v CERN-u (v angleščini mreža - mreža, mreža) je še en korak naprej, nova faza v integraciji uporabnikov računalnikov.
Omogoča ne le objavo podatkov, ki se nahajajo nekje drugje na planetu, temveč tudi uporabo virov oddaljenega stroja, ne da bi zapustili svoje mesto.
Običajni računalniki seveda nimajo posebne vloge pri zagotavljanju računalniške moči, zato je prva stopnja integracije povezovanje svetovnih superračunalniških centrov.
Nastanek tega sistema je izzval Veliki hadronski trkalnik. Čeprav se GRID že uporablja za vrsto drugih nalog, ga brez trkalnika ne bi bilo, in obratno, brez GRID-a obdelava rezultatov trkalnika ni mogoča.
Ljudje, ki delajo v LHC kolaboracijah, se nahajajo na različnih koncih sveta. Znano je, da na tej napravi ne delajo samo Evropejci, ampak tudi vseh 20 držav - uradnih udeleženk CERN-a, skupaj približno 35 držav. Teoretično je za zagotovitev delovanja LHC obstajala alternativa GRID - razširitev lastnih računalniških virov računalniškega centra CERN. Toda viri, ki so bili na voljo v času, ko je bil problem postavljen, so bili popolnoma nezadostni za simulacijo delovanja pospeševalnika, shranjevanje informacij iz njegovih poskusov in njihovo znanstveno obdelavo. Zato bi bilo treba računalniški center zelo temeljito obnoviti in posodobiti z nakupom več računalnikov in shranjevalnikov podatkov. Toda to bi pomenilo, da bi bilo vse financiranje skoncentrirano v CERN. To ni bilo zelo sprejemljivo za države, ki so daleč od CERN-a. Seveda jih ni zanimalo sponzoriranje virov, ki bi jih bilo zelo težko uporabljati, temveč so bili bolj nagnjeni k povečanju svojega računalniškega in strojnega potenciala. Zato se je rodila ideja, da bi vire uporabljali tam, kjer so.
Ne poskušajte vsega koncentrirati na enem mestu, ampak združite tisto, kar že obstaja na različnih koncih planeta.
Zgodovina nastanka pospeševalnika, ki ga danes poznamo kot Large Hadron Collider, sega v leto 2007. Sprva se je kronologija pospeševalnikov začela s ciklotronom. Naprava je bila majhna naprava, ki se je zlahka prilegala na mizo. Nato se je zgodovina pospeševalnikov začela hitro razvijati. Pojavila sta se sinhrofazotron in sinhrotron.
V zgodovini je morda najbolj zanimivo obdobje od leta 1956 do 1957. V tistih časih sovjetska znanost, zlasti fizika, ni zaostajala za tujimi brati. Z dolgoletnimi izkušnjami je sovjetski fizik Vladimir Veksler naredil preboj v znanosti. Ustvaril je najmočnejši sinhrofazotron v tistem času. Njegova delovna moč je bila 10 gigaelektronvoltov (10 milijard elektronvoltov). Po tem odkritju so nastali resni vzorci pospeševalnikov: veliki trkalnik elektronov in pozitronov, švicarski pospeševalnik, v Nemčiji, ZDA. Vsi so imeli en skupen cilj - preučevanje temeljnih delcev kvarkov.
Veliki hadronski trkalnik je nastal predvsem zahvaljujoč prizadevanjem italijanskega fizika. Ime mu je Carlo Rubbia, Nobelov nagrajenec. V svoji karieri je Rubbia delal kot direktor pri Evropski organizaciji za jedrske raziskave. Odločeno je bilo zgraditi in zagnati hadronski trkalnik na mestu raziskovalnega centra.
Kje je hadronski trkalnik?
Trkalnik se nahaja na meji med Švico in Francijo. Njen obseg meri 27 kilometrov, zato jo imenujejo velika. Pospeševalni obroč sega globoko od 50 do 175 metrov. Trkalnik ima 1232 magnetov. So superprevodni, kar pomeni, da lahko iz njih ustvarimo maksimalno polje za pospešek, saj pri takih magnetih praktično ni porabe energije. Skupna teža vsakega magneta je 3,5 tone z dolžino 14,3 metra.
Kot vsak fizični objekt tudi Veliki hadronski trkalnik proizvaja toploto. Zato ga je treba nenehno hladiti. Da bi to dosegli, temperaturo vzdržujemo pri 1,7 K z uporabo 12 milijonov litrov tekočega dušika. Poleg tega se za hlajenje porabi 700 tisoč litrov, predvsem pa se uporablja tlak, ki je desetkrat nižji od običajnega atmosferskega tlaka.
Temperatura 1,7 K na Celzijevi lestvici je -271 stopinj. Ta temperatura je skoraj blizu tistemu, kar se imenuje najnižja možna meja, ki jo lahko ima fizično telo.
Notranjost tunela ni nič manj zanimiva. Obstajajo kabli iz niobija in titana s superprevodnostjo. Njihova dolžina je 7600 kilometrov. Skupna teža kablov je 1200 ton. Notranjost kabla je splet 6300 žic s skupno razdaljo 1,5 milijarde kilometrov. Ta dolžina je enaka 10 astronomskim enotam. Na primer, je enako 10 takim enotam.
Če govorimo o njegovi geografski legi, lahko rečemo, da obroči trkalnika ležijo med mestoma Saint-Genis in Forney-Voltaire, ki se nahajata na francoski strani, pa tudi Meyrin in Vessourat - na švicarski strani. Majhen obroč, imenovan PS, poteka vzdolž premera obrobe.
Smisel obstoja
Če želite odgovoriti na vprašanje, "za kaj je hadronski trkalnik", se morate obrniti na znanstvenike. Številni znanstveniki pravijo, da je to največji izum v vsej zgodovini znanosti in da brez njega znanost, kot jo poznamo danes, preprosto nima pomena. Obstoj in zagon velikega hadronskega trkalnika je zanimiv, ker ob trku delcev v hadronskem trkalniku pride do eksplozije. Vsi najmanjši delci se razpršijo v različne smeri. Nastajajo novi delci, ki lahko pojasnijo obstoj in pomen marsičesa.
Prva stvar, ki so jo znanstveniki poskušali najti v teh strmoglavljenih delcih, je bil teoretično predviden osnovni delec fizika Petra Higgsa, imenovan Ta neverjetni delec je nosilec informacij, domnevajo. Običajno ga imenujejo tudi »božji delček«. Njegovo odkritje bi znanstvenike približalo razumevanju vesolja. Opozoriti je treba, da je leta 2012, 4. julija, hadronski trkalnik (njegov zagon je bil delno uspešen) pomagal odkriti podoben delec. Danes ga znanstveniki poskušajo podrobneje preučiti.
Kako dolgo...
Seveda se takoj pojavi vprašanje: zakaj so znanstveniki tako dolgo preučevali te delce? Če imate napravo, jo lahko zaženete in vsakič sprejmete več in več podatkov. Dejstvo je, da je upravljanje hadronskega trkalnika draga ponudba. En zagon stane veliko denarja. Letna poraba energije je na primer 800 milijonov kWh. To količino energije po povprečnih standardih porabi mesto s približno 100 tisoč prebivalci. In to ne vključuje stroškov vzdrževanja. Drugi razlog je, da je pri hadronskem trkalniku eksplozija, ki nastane ob trku protonov, povezana s prejemom velike količine podatkov: računalniki preberejo toliko informacij, da njihova obdelava vzame veliko časa. Pa čeprav je moč računalnikov, ki sprejemajo informacije, tudi po današnjih merilih velika.
Naslednji razlog ni nič manj znan: znanstveniki, ki delajo s trkalnikom v tej smeri, so prepričani, da je vidni spekter celotnega vesolja le 4%. Predpostavlja se, da sta preostali temna snov in temna energija. Eksperimentalno poskušajo dokazati, da je ta teorija pravilna.
Hadronski trkalnik: za ali proti
Predstavljena teorija temne snovi je postavila dvom o varnosti hadronskega trkalnika. Pojavilo se je vprašanje: "Hadronski trkalnik: za ali proti?" Skrbel je številne znanstvenike. Vsi veliki umi sveta so razdeljeni v dve kategoriji. "Nasprotniki" so predstavili zanimivo teorijo, da če taka materija obstaja, potem mora imeti delec nasproti sebi. In ko delci trčijo v pospeševalniku, se pojavi temen del. Obstajala je nevarnost, da bi trčila temni del in del, ki ga vidimo. Potem bi to lahko povzročilo smrt celotnega vesolja. Po prvem zagonu hadronskega trkalnika pa je bila ta teorija delno razbita.
Naslednja po pomembnosti je eksplozija vesolja oziroma rojstvo. Menijo, da je med trkom mogoče opazovati, kako se je vesolje obnašalo v prvih sekundah svojega obstoja. Kako je bilo videti po nastanku velikega poka. Menijo, da je proces trkov delcev zelo podoben tistemu, ki se je zgodil na samem začetku vesolja.
Druga prav tako fantastična ideja, ki jo preizkušajo znanstveniki, so eksotični modeli. Zdi se neverjetno, vendar obstaja teorija, ki nakazuje, da obstajajo druge dimenzije in vesolja z ljudmi, ki so nam podobni. In nenavadno, pospeševalnik lahko pomaga tudi tukaj.
Preprosto povedano, namen pospeševalnika je razumeti, kaj je vesolje, kako je nastalo, ter dokazati ali ovreči vse obstoječe teorije o delcih in sorodnih pojavih. Seveda bo to trajalo leta, a z vsakim lansiranjem se pojavijo nova odkritja, ki spremenijo svet znanosti.
Dejstva o pospeševalniku
Vsi vedo, da pospeševalnik pospeši delce do 99 % svetlobne hitrosti, vendar le redki vedo, da je odstotek 99,9999991 % svetlobne hitrosti. Ta neverjetna številka je smiselna zaradi popolne zasnove in močnih pospeševalnih magnetov. Upoštevati je treba tudi nekaj manj znanih dejstev.
Približno 100 milijonov podatkovnih tokov, ki prihajajo iz vsakega od dveh glavnih detektorjev, bi lahko v nekaj sekundah napolnilo več kot 100.000 CD-ROM-ov. V samo enem mesecu bi število diskov doseglo takšno višino, da bi jih, če bi jih zložili na kup, zadostovalo za dosego Lune. Zato je bilo odločeno, da se ne zbirajo vsi podatki, ki prihajajo iz detektorjev, ampak le tisti, ki jih bo sistem za zbiranje podatkov dovolil uporabiti, ki dejansko deluje kot filter za prejete podatke. Odločeno je bilo zabeležiti le 100 dogodkov, ki so se zgodili v trenutku eksplozije. Ti dogodki bodo zabeleženi v arhivu računalniškega centra Large Hadron Collider, ki se nahaja v Evropskem laboratoriju za fiziko delcev, kjer je tudi pospeševalnik. Zapisani ne bodo tisti dogodki, ki so bili posneti, ampak tisti, ki so najbolj zanimivi za znanstveno skupnost.
Naknadna obdelava
Ko so posneti, bo obdelanih več sto kilobajtov podatkov. V ta namen se uporablja več kot dva tisoč računalnikov, ki se nahajajo v CERN-u. Naloga teh računalnikov je obdelati primarne podatke in iz njih oblikovati bazo podatkov, ki bo primerna za nadaljnjo analizo. Nato bo ustvarjeni tok podatkov poslan v računalniško omrežje GRID. To internetno omrežje združuje na tisoče računalnikov v različnih inštitutih po vsem svetu in povezuje več kot sto velikih centrov na treh celinah. Vsi tovrstni centri so s CERN-om povezani z optičnimi vlakni za največje hitrosti prenosa podatkov.
Ko govorimo o dejstvih, moramo omeniti tudi fizične kazalnike strukture. Tunel pospeševalnika je za 1,4 % odklonjen od vodoravne ravnine. To je bilo storjeno predvsem zato, da bi večji del predora pospeševalnika postavili v monolitno skalo. Tako je globina postavitve na nasprotnih straneh različna. Če računamo s strani jezera, ki se nahaja v bližini Ženeve, bo globina 50 metrov. Nasprotni del ima globino 175 metrov.
Zanimivo je, da lunine faze vplivajo na pospeševalnik. Zdi se, kako lahko tako oddaljen predmet vpliva na tako razdaljo. Opazili pa so, da se ob polni luni, ko nastopi plima, kopno na območju Ženeve dvigne za kar 25 centimetrov. To vpliva na dolžino trkalnika. Dolžina se s tem poveča za 1 milimeter, prav tako se spremeni energija žarka za 0,02 %. Ker je treba energijo žarka nadzorovati do 0,002 %, morajo raziskovalci ta pojav upoštevati.
Zanimivo je tudi, da ima predor trkalnika obliko osmerokotnika in ne kroga, kot si mnogi predstavljajo. Vogali so oblikovani s kratkimi deli. Vsebujejo vgrajene detektorje, pa tudi sistem, ki nadzoruje žarek pospeševajočih se delcev.
Struktura
Hadronski trkalnik, katerega izstrelitev vključuje veliko delov in veliko navdušenja med znanstveniki, je neverjetna naprava. Celoten pospeševalnik je sestavljen iz dveh obročev. Majhen obroč se imenuje protonski sinhrotron ali, če uporabimo okrajšavo, PS. Veliki obroč je super protonski sinhrotron ali SPS. Oba obroča skupaj omogočata, da se deli pospešijo do 99,9 % svetlobne hitrosti. Hkrati trkalnik poveča tudi energijo protonov, njihova skupna energija se poveča za 16-krat. Prav tako omogoča, da delci trčijo med seboj približno 30 milijonov krat/s. v 10 urah. 4 glavni detektorji proizvedejo najmanj 100 terabajtov digitalnih podatkov na sekundo. Pridobivanje podatkov določajo individualni dejavniki. Zaznavajo lahko na primer osnovne delce, ki imajo negativen električni naboj in imajo tudi polovični spin. Ker so ti delci nestabilni, je njihova neposredna detekcija nemogoča, zaznati je mogoče le njihovo energijo, ki bo oddana pod določenim kotom na os žarka. Ta stopnja se imenuje prva stopnja zagona. To stopnjo spremlja več kot 100 posebnih plošč za obdelavo podatkov, ki imajo vgrajeno implementacijsko logiko. Za ta del dela je značilno, da se v obdobju zajemanja podatkov izbere več kot 100 tisoč blokov podatkov na sekundo. Ti podatki bodo nato uporabljeni za analizo, ki se izvede z uporabo mehanizma višje ravni.
Sistemi na naslednji ravni, nasprotno, prejemajo informacije iz vseh detektorskih niti. Programska oprema detektorja deluje v omrežju. Tam bo uporabljal veliko število računalnikov za obdelavo naslednjih blokov podatkov, povprečni čas med bloki je 10 mikrosekund. Programi bodo morali ustvariti oznake delcev, ki ustrezajo prvotnim točkam. Rezultat bo ustvarjen nabor podatkov, sestavljen iz impulzov, energije, poti in drugih, ki so nastali med enim dogodkom.
Deli pospeševalnika
Celoten pospeševalnik lahko razdelimo na 5 glavnih delov:
1) Pospeševalnik trkalnika elektron-pozitron. Del je sestavljen iz približno 7 tisoč magnetov s superprevodnimi lastnostmi. Z njihovo pomočjo se žarek usmeri skozi krožni tunel. Prav tako koncentrirajo žarek v en tok, katerega širina se zmanjša na širino enega lasu.
2) Kompaktni mionski solenoid. To je detektor za splošno uporabo. Takšen detektor se uporablja za iskanje novih pojavov in na primer za iskanje Higgsovih delcev.
3) LHCb detektor. Pomen te naprave je iskanje kvarkov in njim nasprotnih delcev - antikvarkov.
4) Toroidna namestitev ATLAS. Ta detektor je zasnovan za zaznavanje mionov.
5) Alica. Ta detektor zajame trke svinčevih ionov in proton-protonske trke.
Težave pri zagonu hadronskega trkalnika
Kljub temu, da prisotnost visoke tehnologije odpravlja možnost napak, je v praksi vse drugače. Med sestavljanjem pospeševalnika je prihajalo do zamud in okvar. Treba je reči, da ta situacija ni bila nepričakovana. Naprava vsebuje toliko nians in zahteva tako natančnost, da so znanstveniki pričakovali podobne rezultate. Na primer, ena od težav, s katero so se znanstveniki soočili med izstrelitvijo, je bila okvara magneta, ki je fokusiral protonske žarke tik pred njihovim trkom. Do te hude nesreče je prišlo zaradi uničenja dela pritrditve zaradi izgube superprevodnosti zaradi magneta.
Ta težava se je pojavila leta 2007. Zaradi tega je bil izstrelitev trkalnika večkrat prestavljen in šele junija je do izstrelitve prišlo, skoraj leto kasneje pa je bil trkalnik izstreljen.
Zadnja izstrelitev trkalnika je bila uspešna, saj je zbrala veliko terabajtov podatkov.
Hadronski trkalnik, ki je bil zagnan 5. aprila 2015, uspešno deluje. V enem mesecu se bodo žarki poganjali po obroču in postopoma povečevali svojo moč. Študija kot taka nima namena. Energija trka žarka se bo povečala. Vrednost bodo dvignili s 7 TeV na 13 TeV. Takšno povečanje nam bo omogočilo, da vidimo nove možnosti v trkih delcev.
V letih 2013 in 2014 potekali so resni tehnični pregledi predorov, pospeševalnikov, detektorjev in druge opreme. Rezultat je bilo 18 bipolarnih magnetov s superprevodno funkcijo. Treba je opozoriti, da je njihovo skupno število 1232 kosov. Vendar pa preostali magneti niso ostali neopaženi. V ostalih delih so bili zamenjani in vgrajeni izboljšani sistemi zaščite pred hlajenjem. Izboljšan je tudi magnetni hladilni sistem. To jim omogoča, da ostanejo pri nizkih temperaturah z največjo močjo.
Če bo šlo vse po sreči, bo naslednji zagon pospeševalnika šele čez tri leta. Po tem obdobju so načrtovana dela za izboljšavo in tehnični pregled trkalnika.
Treba je opozoriti, da popravila stanejo precej peni, ne da bi upoštevali stroške. Hadronski trkalnik ima od leta 2010 ceno 7,5 milijarde evrov. Ta številka postavlja celoten projekt na prvo mesto lestvice najdražjih projektov v zgodovini znanosti.
Princip delovanja vseh pospeševalnikov je preprost – nabiti delci se pospešujejo pod vplivom električnega polja.
Prvi poskusi
Prvi poskusi preučevanja atomskih jeder so bili izvedeni brez pospeševalnikov. Delci alfa (jedra helija-4), uporabljeni v takih poskusih, so bili pridobljeni z razpadom nestabilnih izotopov (na primer radija) in so bili sami pospešeni v električnem polju matičnega jedra do energij več MeV.
Obdobje tehnologije pospeševalnikov se šteje od začetka tridesetih let 20. stoletja, ko sta se naenkrat pojavili dve shemi za pospeševanje delcev na energije okoli 1 MeV. Leta 1932 sta Anglež John Cockcroft in Irec Ernest Walton v Cambridgeu zasnovala kaskadni 800-kilovoltni generator enosmernega toka, ki je odprl novo dobo v eksperimentalni jedrski fiziki. Že v prvem poskusu so poslali žarek pospešenih protonov na tarčo litija-7 in opazovali pravo jedrsko reakcijo: jedro litija je ujelo proton in nato razpadlo na dva delca alfa.
Ciklotroni
Zelo težko je ustvariti potencialno razliko desetin megavoltov, a se je hitro pokazalo, da to ni potrebno. Namesto tega lahko pospeševalnik zvijete v obroč tako, da ga postavite v magnetno polje. V nasprotju z električnim poljem magnetno polje ne pospešuje delcev, temveč le ukrivi njihovo pot. Zlasti v enakomernem magnetnem polju se pot nabitega delca zapre v krog. Če zdaj delec občasno potisnemo naprej z električnim poljem, bo pridobil energijo in postopoma povečeval polmer poti. To samodejno reši dva problema: delce lahko obdržimo v orbiti toliko časa, kot je potrebno, poleg tega pa ni treba, da je pospeševalno električno polje veliko (tisoč prehodov skozi potencialno razliko enega kilovolta je enakovredno megavoltnemu linearnemu generatorju).
Pospeševalec delcev, ki temelji na tem principu - ciklotron- zamislil ga je Ernest Lawrence leta 1929 in oblikoval leta 1931. Ciklotron je sestavljen iz dveh votlih polovic diska, znotraj katerih se vrtijo delci. Na robove reže med polovicama se uporablja izmenična napetost, katere frekvenca natančno sovpada s frekvenco vrtenja delcev. Ko delci enosmerno letijo skozi režo, jih električno polje potisne naprej in po polovici obdobja, ko spet prečkajo režo v nasprotni smeri na drugi, diametralno nasprotni strani diska, je polje že uspelo spremeni znak in jih znova potisne, namesto da bi jih upočasnil. To se ponavlja krog za krogom, dokler ni dosežena največja energija.
Bistveno pomembno je, da čeprav je hitrost delcev bistveno manjša od hitrosti svetlobe, njihova vrtilna frekvenca ostaja konstantna: povečanje hitrosti se natančno kompenzira s povečanjem polmera orbite. Zahvaljujoč temu se delec vedno približuje vrzeli v enakih časovnih intervalih, zato je mogoče na robove reže uporabiti izmenično napetost znane in strogo določene frekvence.
Prvi ciklotron, ki ga je zgradil Lawrence, je imel premer nekaj več kot 10 cm in je pospešil protone na samo 80 keV (kiloelektronvoltov). Hiter napredek je leta 1936 privedel do 8 MeV ciklotrona in 200 MeV multimetrskega velikana leta 1946. Res je, pri taki energiji je hitrost protonov že blizu svetlobne, zato nerelativistična formula za izračun ciklotronske frekvence ne deluje več. Fiziki so lahko dosegli takšne energije le tako, da so se naučili prilagajati frekvenco izmeničnega električnega polja v reži v skladu s frekvenco vrtenja delcev.
Sinhrofazotroni
Nadaljnje povečevanje energij je naletelo na številne težave. Med njimi so bile tako zgolj konstrukcijske težave (zagotoviti je treba enakomerno magnetno polje, globok vakuum in mehansko trdnost, ne da bi ovirali delce, ki se odvijajo v spiralo), kot temeljni problem - delci so se razpršili po komori in padli v pospeševanje vrzeli ob napačnih časih, od -zakaj niso pospešili?
Leta 1944 sta sovjetski fizik Vladimir Veksler in neodvisno leto kasneje Američan Edwin McMillan prišla do načela samodejno faziranje. Njihova ideja je bila, da bi posebej prilagodili električno polje v reži, ki bi zaostajajoče delce potisnilo močneje, tiste, ki tečejo naprej, pa manj. Zaradi tega bodo delci vedno ostali v obliki kompaktne kepe, ki se ne širi. Nazadnje, da bi se znebili inženirskih težav, so delce namesto ogromnega diska začeli izstreljevati v dolgo cev, zvito v obroč, in da bi jih obdržali v stalni orbiti, so magnetno polje povečevali sinhrono s povečanjem energije. Pospeševalniki te vrste se imenujejo sinhrofazotroni. V naslednjih letih se je njihova energija povečala na nekaj GeV in z njihovo pomočjo je prišlo do številnih odkritij v fiziki delcev. Veliko sodobnih pospeševalnikov, zlasti LHC, temelji na principu sinhrofazotrona.
Trkalniki
Naslednja faza v zgodovini tehnologije pospeševalnika je bilo ustvarjanje trkalniki- pospeševalniki s trčnimi žarki, kjer se dva snopa delcev vrtita v nasprotnih smereh in trčita drug ob drugega. Prvotno je to idejo leta 1943 izrazil in celo patentiral norveški fizik Rolf Wideröe, vendar so jo šele v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja uresničile tri neodvisne skupine raziskovalcev: italijanska skupina pod vodstvom Avstrijca Bruna Touscheka in ameriška pod vodstvom Gerarda K. O'Neill in Wolfgang K. H. Panofsky ter novosibirska skupina pod vodstvom G. I. Budkerja.
Do te točke so bili vsi poskusi izvedeni s stacionarno tarčo. Ko visokoenergijski delec trči v mirujoči delec, nastali produkti trka letijo naprej z veliko hitrostjo, njihova kinetična energija pa je tista, ki porabi glavnino energije žarkov. Če enaki delci, ki letijo drug proti drugemu, trčijo, potem se večina njihove energije porabi za predvideni namen: rojstvo delcev. Z uporabo formul relativistične mehanike je mogoče izračunati celotno energijo v sistemu središča mase - ta del energije prvotnih delcev se lahko porabi za rojstvo novih delcev. V prvem primeru je približno , v drugem primeru pa 2 E. Če so delci ultrarelativistični, E >> mc 2, potem lahko v trkalnikih na trčnih žarkih nastanejo veliko težji delci kot pri poskusih s stacionarno tarčo pri enaki energiji žarka.
Leta 2008 je začel delovati najmočnejši pospeševalnik, kar jih je kdaj zgradil človek - Large Hadron Collider, LHC, z energijo protona 7 TeV (glej razdelek o LHC o "Elementih"). Nahaja se v 27 km dolgem podzemnem obročnem tunelu na meji med Švico in Francijo. Fiziki upajo, da bodo rezultati LHC vodili do novega preboja v razumevanju globoke strukture našega sveta.
Zdaj so pospeševalniki dosegli svojo konstrukcijsko mejo. Znatno povečanje energije delcev bo mogoče le, če bodo trkalniki postali linearni in bodo uporabljene učinkovitejše tehnike pospeševanja delcev. Preboj se obeta z laserskimi ali lasersko-plazemskimi tehnikami pospeševanja. V njem kratek, a močan laserski impulz neposredno pospeši nabite delce ali pa ustvari motnjo v plazemskem oblaku, ki pobere leteči kup elektronov in ga močno pospeši. Za uspešno uporabo te sheme v pospeševalniku bo treba premagati še veliko težav (naučiti se združiti več pospeševalnih elementov med seboj, obvladati velike kotne divergence, pa tudi širjenje energije pospešenih delcev), a prvi rezultati so zelo spodbudni.
Besedna zveza "Veliki hadronski trkalnik" je postala tako globoko zasidrana v medijih, da ogromno ljudi ve za to napravo, vključno s tistimi, katerih dejavnosti nimajo nobene povezave s fiziko osnovnih delcev ali znanostjo na splošno.
Mediji namreč niso mogli prezreti tako obsežnega in dragega projekta - skoraj 27 kilometrov dolge obročne instalacije, ki stane več deset milijard dolarjev, s katero se ukvarja nekaj tisoč znanstvenikov z vsega sveta. K priljubljenosti trkalnika je pomembno prispeval tako imenovani »božji delec« oziroma Higgsov bozon, ki so ga uspešno reklamirali in za katerega je Peter Higgs leta 2013 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.
Najprej je treba opozoriti, da Large Hadron Collider ni bil zgrajen iz nič, ampak je nastal na mestu njegovega predhodnika, Large Electron-Positron Collider (LEP). Dela na 27-kilometrskem predoru so se začela leta 1983, kjer so kasneje nameravali postaviti pospeševalnik, ki bi trkal elektrone in pozitrone. Leta 1988 se je obročni predor zaprl, delavci pa so se kopanja lotili tako previdno, da je bil razkorak med obema koncema predora le 1 centimeter.
Pospeševalnik je deloval do konca leta 2000, ko je dosegel največjo energijo 209 GeV. Po tem se je začela njegova demontaža. LEP je v enajstih letih svojega delovanja v fiziko prinesel številna odkritja, med drugim tudi odkritje bozonov W in Z ter njihove nadaljnje raziskave. Na podlagi rezultatov teh študij je bilo ugotovljeno, da so mehanizmi elektromagnetnih in šibkih interakcij podobni, zaradi česar so se začela teoretična dela o združevanju teh interakcij v elektrošibke.
Leta 2001 se je na mestu pospeševalnika elektronov in pozitronov začela gradnja velikega hadronskega trkalnika. Gradnja novega pospeševalnika je bila zaključena konec leta 2007. Nahajal se je na mestu LEP - na meji med Francijo in Švico, v dolini Ženevskega jezera (15 km od Ženeve), na globini sto metrov. Avgusta 2008 so se začela testiranja trkalnika, 10. septembra pa je potekala uradna izstrelitev LHC. Kot pri prejšnjem pospeševalniku, gradnjo in delovanje objekta vodi Evropska organizacija za jedrske raziskave – CERN.
CERN
Na kratko velja omeniti organizacijo CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ta organizacija deluje kot največji laboratorij na svetu na področju fizike visokih energij. Vključuje tri tisoč stalno zaposlenih, v projektih CERN pa sodeluje še nekaj tisoč raziskovalcev in znanstvenikov iz 80 držav.
Trenutno v projektu sodeluje 22 držav: Belgija, Danska, Francija, Nemčija, Grčija, Italija, Nizozemska, Norveška, Švedska, Švica, Velika Britanija - ustanoviteljice, Avstrija, Španija, Portugalska, Finska, Poljska, Madžarska , Češka, Slovaška, Bolgarija in Romunija – pristopile. Vendar, kot že omenjeno, pri delu organizacije na tak ali drugačen način sodeluje več deset držav, še posebej pri velikem hadronskem trkalniku.
Kako deluje veliki hadronski trkalnik?
Kaj je veliki hadronski trkalnik in kako deluje, sta glavni vprašanji javnega interesa. Oglejmo si ta vprašanja naprej.
Collider – v prevodu iz angleščine pomeni »tisti, ki trči«. Namen takšne postavitve je trčenje delcev. V primeru hadronskega trkalnika delce igrajo hadroni - delci, ki sodelujejo v močnih interakcijah. To so protoni.
Pridobivanje protonov
Dolgo potovanje protonov izvira iz duoplazmatrona – prve stopnje pospeševalnika, ki sprejema vodik v obliki plina. Duoplazmatron je razelektritvena komora, kjer poteka električna razelektritev skozi plin. Tako vodik, ki je sestavljen samo iz enega elektrona in enega protona, izgubi svoj elektron. Na ta način nastane plazma – snov, sestavljena iz nabitih delcev – protonov. Seveda je težko dobiti čisto protonsko plazmo, zato nastalo plazmo, ki vključuje tudi oblak molekularnih ionov in elektronov, filtriramo, da izoliramo protonski oblak. Pod vplivom magnetov se protonska plazma zbije v žarek.
Predhodni pospešek delcev
Novonastali protonski žarek začne svojo pot v linearnem pospeševalniku LINAC 2, ki je 30-metrski obroč, zaporedno obešen z več votlimi cilindričnimi elektrodami (prevodniki). Elektrostatično polje, ustvarjeno znotraj pospeševalnika, je stopnjevano tako, da delci med votlimi valji vedno doživijo pospeševalno silo v smeri naslednje elektrode. Ne da bi se na tej stopnji povsem poglobili v mehanizem pospeševanja protonov, ugotavljamo le, da na izhodu iz LINAC 2 fiziki prejmejo žarek protonov z energijo 50 MeV, ki že doseže 31% svetlobne hitrosti. Omeniti velja, da se v tem primeru masa delcev poveča za 5%.
Do leta 2019-2020 je načrtovana zamenjava LINAC 2 z LINAC 4, ki bo pospešil protone na 160 MeV.
Omeniti velja, da trkalnik pospešuje tudi svinčeve ione, kar bo omogočilo preučevanje kvark-gluonske plazme. Pospešujejo jih v obroču LINAC 3, podobno kot LINAC 2. V prihodnosti so predvideni tudi poskusi z argonom in ksenonom.
Nato protonski paketi vstopijo v protonski sinhroni pospeševalnik (PSB). Sestavljen je iz štirih naloženih obročev s premerom 50 metrov, v katerih se nahajajo elektromagnetni resonatorji. Elektromagnetno polje, ki ga ustvarijo, ima visoko intenziteto in delec, ki gre skozenj, prejme pospešek zaradi razlike potencialov polja. Tako se že po 1,2 sekunde delci v PSB pospešijo do 91 % svetlobne hitrosti in dosežejo energijo 1,4 GeV, nato pa vstopijo v protonski sinhrotron (PS). PS ima premer 628 metrov in je opremljen s 27 magneti, ki usmerjajo žarek delcev v krožno orbito. Tukaj protoni delcev dosežejo 26 GeV.
Predzadnji obroč za pospeševanje protonov je super protonski sinhrotron (SPS), katerega obseg doseže 7 kilometrov. SPS, opremljen s 1317 magneti, pospeši delce do energije 450 GeV. Po približno 20 minutah protonski žarek vstopi v glavni obroč – Large Hadron Collider (LHC).
Pospeševanje in trčenje delcev v LHC
Prehodi med pospeševalnimi obroči potekajo zaradi elektromagnetnih polj, ki jih ustvarjajo močni magneti. Glavni obroč trkalnika je sestavljen iz dveh vzporednih linij, v katerih se delci gibljejo po krožni orbiti v nasprotni smeri. Približno 10.000 magnetov je odgovornih za vzdrževanje krožne poti delcev in njihovo usmerjanje do točk trka, nekateri med njimi tehtajo tudi do 27 ton. Da bi se izognili pregrevanju magnetov, se uporablja krog helija-4, skozi katerega teče približno 96 ton snovi pri temperaturi -271,25 ° C (1,9 K). Protoni dosežejo energijo 6,5 TeV (to je energija trka 13 TeV), njihova hitrost pa je za 11 km/h manjša od svetlobne. Tako gre v sekundi žarek protonov skozi veliki obroč trkalnika 11.000-krat. Preden delci trčijo, bodo krožili po obroču od 5 do 24 ur.
Trki delcev se dogajajo na štirih točkah v glavnem obroču LHC, kjer se nahajajo štirje detektorji: ATLAS, CMS, ALICE in LHCb.
Detektorji velikega hadronskega trkalnika
ATLAS (Toroidni LHC aparat)
— je eden od dveh detektorjev za splošno uporabo v velikem hadronskem trkalniku (LHC). Raziskuje široko paleto fizike, od iskanja Higgsovega bozona do delcev, ki morda sestavljajo temno snov. Čeprav ima enake znanstvene cilje kot eksperiment CMS, ATLAS uporablja drugačne tehnične rešitve in drugačno zasnovo magnetnega sistema.
Žarki delcev iz LHC trčijo v središče detektorja ATLAS in ustvarjajo prihajajoče odpadke v obliki novih delcev, ki letijo iz točke trka v vse smeri. Šest različnih podsistemov za zaznavanje, razporejenih po plasteh okoli točke udarca, beleži pot, zagon in energijo delcev, kar omogoča njihovo individualno identifikacijo. Ogromen sistem magnetov ukrivi poti nabitih delcev, tako da je mogoče izmeriti njihove impulze.
Interakcije v detektorju ATLAS ustvarjajo ogromen pretok podatkov. Za obdelavo teh podatkov uporablja ATLAS napreden "sprožilni" sistem, ki detektorju pove, katere dogodke naj zabeleži in katere prezre. Sofisticirani sistemi za zbiranje podatkov in izračun se nato uporabijo za analizo zabeleženih dogodkov trčenja.
Detektor je visok 46 metrov in širok 25 metrov, njegova masa pa je 7000 ton. Zaradi teh parametrov je ATLAS največji detektor delcev, ki je bil kdaj izdelan. Nahaja se v rovu na globini 100 m v bližini glavne lokacije CERN, blizu vasi Meyrin v Švici. Namestitev je sestavljena iz 4 glavnih komponent:
- Notranji detektor ima cilindrično obliko, notranji obroč se nahaja le nekaj centimetrov od osi prehajajočega žarka delcev, zunanji obroč pa ima premer 2,1 metra in dolžino 6,2 metra. Sestavljen je iz treh različnih senzorskih sistemov, potopljenih v magnetno polje. Notranji detektor meri smer, zagon in naboj električno nabitih delcev, ki nastanejo pri vsakem trku proton-proton. Glavni elementi notranjega detektorja so: detektor slikovnih pik, sledilnik polprevodnikov (SCT) in sledilnik prehodnega sevanja (TRT).
- Kalorimetri merijo energijo, ki jo delec izgubi, ko gre skozi detektor. Absorbira delce, ki nastanejo ob trku, in tako beleži njihovo energijo. Kalorimetri so sestavljeni iz plasti "absorbirajočega" materiala z visoko gostoto - svinca - ki se izmenjujejo s plastmi "aktivnega medija" - tekočega argona. Elektromagnetni kalorimetri merijo energijo elektronov in fotonov med interakcijo s snovjo. Hadronski kalorimetri merijo energijo hadronov, ko medsebojno delujejo z atomskimi jedri. Kalorimetri lahko ustavijo večino znanih delcev, razen mionov in nevtrinov.
LAr (Liquid Argon Calorimeter) - kalorimeter ATLAS
- Mionski spektrometer - sestavljen je iz 4000 posameznih mionskih komor, ki uporabljajo štiri različne tehnologije za identifikacijo mionov in merjenje njihovih momentov. Mioni običajno prehajajo skozi notranji detektor in kalorimeter, kar zahteva mionski spektrometer.
- ATLAS-ov magnetni sistem upogiba delce okoli različnih plasti detektorskih sistemov, kar olajša sledenje sledi delcev.
Eksperiment ATLAS (februar 2012) vključuje več kot 3000 znanstvenikov iz 174 institucij v 38 državah.
CMS (kompaktni mionski solenoid)
— je detektor za splošno uporabo v velikem hadronskem trkalniku (LHC). Tako kot ATLAS ima širok program fizike, ki sega od preučevanja standardnega modela (vključno s Higgsovim bozonom) do iskanja delcev, ki bi lahko sestavljali temno snov. Čeprav ima enake znanstvene cilje kot eksperiment ATLAS, CMS uporablja drugačne tehnične rešitve in drugačno zasnovo magnetnega sistema.
Detektor CMS je zgrajen okoli ogromnega elektromagnetnega magneta. To je cilindrična tuljava superprevodnega kabla, ki ustvarja polje 4 Tesla, kar je približno 100.000-krat več od Zemljinega magnetnega polja. Polje omejuje jekleni »jarem«, ki je najmasivnejši sestavni del detektorja, težak 14.000 ton. Celoten detektor je dolg 21 m, širok 15 m in visok 15 m Instalacijo sestavljajo 4 glavne komponente:
- Solenoidni magnet je največji magnet na svetu in služi za ukrivljanje tirnice nabitih delcev, ki se oddajajo s točke udarca. Popačenje trajektorije omogoča razlikovanje med pozitivno in negativno nabitimi delci (ker se upogibajo v nasprotnih smereh), kot tudi merjenje gibalne količine, katere velikost je odvisna od ukrivljenosti trajektorije. Ogromna velikost solenoida omogoča, da se sledilnik in kalorimetri nahajajo znotraj tuljave.
- Silicon Tracker – Sestavljen je iz 75 milijonov posameznih elektronskih senzorjev, razporejenih v koncentrične plasti. Ko naelektreni delec leti skozi plasti sledilnika, prenese del energije na vsako plast; združevanje teh točk trka delca z različnimi plastmi nam omogoča nadaljnje določanje njegove trajektorije.
- Kalorimetri – elektronski in hadronski, glej kalorimetri ATLAS.
- Poddetektorji - omogočajo zaznavanje mionov. Predstavlja jih 1400 mionskih komor, ki se nahajajo v plasteh zunaj tuljave in se izmenjujejo s kovinskimi ploščami "jarma".
Eksperiment CMS je ena največjih mednarodnih znanstvenih študij v zgodovini, ki vključuje 4300 ljudi: fizikov delcev, inženirjev in tehnikov, študentov in podpornega osebja iz 182 institucij, 42 držav (februar 2014).
ALICE (Eksperiment velikega ionskega trkalnika)
— je detektor težkih ionov na obročih velikega hadronskega trkalnika (LHC). Zasnovan je za preučevanje fizike močno medsebojno delujoče snovi pri ekstremnih energijskih gostotah, kjer nastane faza snovi, imenovana kvark-gluonska plazma.
Vsa običajna snov v današnjem vesolju je sestavljena iz atomov. Vsak atom vsebuje jedro protonov in nevtronov (razen vodika, ki nima nevtronov), obdano z oblakom elektronov. Protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz kvarkov, povezanih z drugimi delci, imenovanimi gluoni. Nobenega kvarka nikoli niso opazili ločeno: zdi se, da so kvarki in gluoni trajno povezani in omejeni v sestavnih delcih, kot so protoni in nevtroni. To se imenuje zaprtje.
Trki v LHC ustvarijo temperature, ki so več kot 100.000-krat višje kot v središču Sonca. Trkalnik omogoča trke med svinčevimi ioni, ki poustvarijo razmere, podobne tistim, ki so se zgodile takoj po velikem poku. V teh ekstremnih pogojih se protoni in nevtroni "stopijo", kar osvobodi kvarke njihovih vezi z gluoni. To je kvark-gluonska plazma.
Eksperiment ALICE uporablja detektor ALICE, ki tehta 10.000 ton, je dolg 26 m, visok 16 m in širok 16 m. Napravo sestavljajo trije glavni sklopi komponent: sledilne naprave, kalorimetri in detektorji za identifikacijo delcev. Prav tako je razdeljen na 18 modulov. Detektor se nahaja v tunelu na globini 56 m spodaj, blizu vasi Saint-Denis-Pouilly v Franciji.
Eksperiment vključuje več kot 1000 znanstvenikov iz več kot 100 fizikalnih inštitutov v 30 državah.
LHCb (Lepotni eksperiment velikega hadronskega trkalnika)
– Eksperiment raziskuje majhne razlike med snovjo in antimaterijo s proučevanjem vrste delcev, imenovanih lepotni kvark ali b kvark.
Namesto da bi celotno točko trka obkrožil z zaprtim detektorjem, kot sta ATLAS in CMS, poskus LHCb uporablja vrsto poddetektorjev za zaznavanje pretežno naprej usmerjenih delcev – tistih, ki so bili ob trku usmerjeni naprej v eno smer. Prvi poddetektor je nameščen blizu točke trka, ostali pa so nameščeni drug za drugim na razdalji 20 metrov.
LHC ustvari veliko število različnih vrst kvarkov, preden ti hitro razpadejo v druge oblike. Da bi ujeli b kvarke, so bili za LHCb razviti zapleteni detektorji premikajočega se sledenja, ki se nahajajo blizu gibanja žarka delcev skozi trkalnik.
5600-tonski detektor LHCb je sestavljen iz neposrednega spektrometra in ploščatih detektorjev. Dolg je 21 metrov, visok 10 metrov in širok 13 metrov, nahaja pa se 100 metrov pod zemljo. Pri eksperimentu LHCb (oktober 2013) sodeluje približno 700 znanstvenikov iz 66 različnih inštitutov in univerz.
Drugi poskusi na trkalniku
Poleg zgornjih poskusov na velikem hadronskem trkalniku obstajata še dva poskusa z napravami:
- LHCf (Veliki hadronski trkalnik naprej)— preučuje delce, vržene naprej po trku žarkov delcev. Simulirajo kozmične žarke, ki jih znanstveniki preučujejo v okviru eksperimenta. Kozmični žarki so naravno prisotni nabiti delci iz vesolja, ki nenehno bombardirajo zemeljsko atmosfero. Trčijo z jedri v zgornji atmosferi in povzročijo kaskado delcev, ki dosežejo tla. Preučevanje, kako trki znotraj LHC proizvajajo takšne kaskade delcev, bo pomagalo fizikom pri interpretaciji in umerjanju obsežnih eksperimentov s kozmičnimi žarki, ki se lahko raztezajo na tisoče kilometrov.
LHCf je sestavljen iz dveh detektorjev, ki sta nameščena vzdolž LHC, 140 metrov stran na obeh straneh udarne točke ATLAS. Vsak od obeh detektorjev tehta le 40 kilogramov in meri 30 cm v dolžino, 80 cm v višino in 10 cm v širino. Eksperiment LHCf vključuje 30 znanstvenikov iz 9 inštitutov v 5 državah (november 2012).
- TOTEM (celotni prerez, elastično sipanje in difrakcijska disociacija)- eksperiment z najdaljšo namestitvijo na trkalniku. Njegovo poslanstvo je preučevanje samih protonov z natančnim merjenjem protonov, ki nastanejo pri trkih pod majhnim kotom. To območje je znano kot smer "naprej" in ni dostopno drugim poskusom LHC. Detektorji TOTEM se raztezajo skoraj pol kilometra okoli točke interakcije CMS. TOTEM ima skoraj 3000 kg opreme, vključno s štirimi jedrskimi teleskopi in 26 rimskimi detektorji loncev. Slednji tip omogoča, da so detektorji nameščeni čim bližje žarku delcev. Eksperiment TOTEM vključuje približno 100 znanstvenikov iz 16 inštitutov v 8 državah (avgust 2014).
Zakaj je potreben Veliki hadronski trkalnik?
Največja mednarodna znanstvena instalacija raziskuje široko paleto fizičnih problemov:
- Študija top kvarkov. Ta delec ni le najtežji kvark, ampak tudi najtežji osnovni delec. Proučevanje lastnosti top kvarka je smiselno tudi zato, ker je raziskovalno orodje.
- Iskanje in študij Higgsovega bozona. Čeprav CERN trdi, da je bil Higgsov bozon že odkrit (leta 2012), je o njegovi naravi zelo malo znanega in nadaljnje raziskave bi lahko prinesle večjo jasnost mehanizma njegovega delovanja.
- Študij kvark-gluonske plazme. Ko svinčena jedra trčijo pri visokih hitrostih, se v trkalniku tvori . Njene raziskave lahko prinesejo rezultate, uporabne tako za jedrsko fiziko (izboljšanje teorije močnih interakcij) kot za astrofiziko (preučevanje vesolja v njegovih prvih trenutkih obstoja).
- Iskanje supersimetrije. Namen te raziskave je ovreči ali dokazati "supersimetrijo", teorijo, da ima vsak elementarni delec težjega partnerja, imenovanega "superdelec".
- Študij trkov foton-foton in foton-hadron. Izboljšalo bo razumevanje mehanizmov procesov takih trkov.
- Preizkušanje eksotičnih teorij. Ta kategorija nalog vključuje najbolj nekonvencionalne - "eksotične", na primer iskanje vzporednih vesolj z ustvarjanjem mini črnih lukenj.
Poleg teh nalog obstaja še veliko drugih, katerih rešitev bo človeštvu omogočila boljše razumevanje narave in sveta okoli nas, kar bo posledično odprlo možnosti za ustvarjanje novih tehnologij.
Praktične koristi velikega hadronskega trkalnika in temeljna znanost
Najprej je treba opozoriti, da temeljne raziskave prispevajo k temeljni znanosti. Uporabna znanost se ukvarja z uporabo tega znanja. Del družbe, ki se ne zaveda prednosti temeljne znanosti, odkritja Higgsovega bozona ali nastanka kvark-gluonske plazme pogosto ne dojema kot nekaj pomembnega. Povezava takih študij z življenjem običajnega človeka ni očitna. Poglejmo kratek primer jedrske energije:
Leta 1896 je francoski fizik Antoine Henri Becquerel odkril pojav radioaktivnosti. Dolgo časa je veljalo, da človeštvo ne bo kmalu prešlo na njegovo industrijsko uporabo. Le pet let pred zagonom prvega jedrskega reaktorja v zgodovini je veliki fizik Ernest Rutherford, ki je leta 1911 dejansko odkril atomsko jedro, dejal, da atomska energija ne bo nikoli našla svoje uporabe. Svoj odnos do energije, ki jo vsebuje jedro atoma, je strokovnjakom uspelo premisliti leta 1939, ko sta nemška znanstvenika Lise Meitner in Otto Hahn odkrila, da se jedra urana ob obsevanju z nevtroni razcepijo na dva dela, pri čemer se sprosti ogromna količina energije – jedrska. energija.
In šele po tem zadnjem členu v nizu temeljnih raziskav je prišla na vrsto uporabna znanost, ki je na podlagi teh odkritij iznašla napravo za pridobivanje jedrske energije - atomski reaktor. Obseg odkritja lahko ocenimo, če pogledamo delež električne energije, ki jo proizvedejo jedrski reaktorji. Tako v Ukrajini na primer jedrske elektrarne predstavljajo 56% proizvodnje električne energije, v Franciji pa 76%.
Vse nove tehnologije temeljijo na določenem temeljnem znanju. Tukaj je še nekaj kratkih primerov:
- Leta 1895 je Wilhelm Conrad Roentgen opazil, da fotografska plošča, izpostavljena rentgenskim žarkom, potemni. Danes je rentgenska slika ena najbolj uporabljanih preiskav v medicini, s katero lahko preučujemo stanje notranjih organov ter odkrivamo okužbe in otekline.
- Leta 1915 je Albert Einstein predlagal svojega. Danes se ta teorija upošteva pri delovanju satelitov GPS, ki določajo lokacijo predmeta z natančnostjo nekaj metrov. GPS se uporablja v celičnih komunikacijah, kartografiji, spremljanju prometa, predvsem pa v navigaciji. Napaka satelita, ki ne upošteva splošne relativnosti, bi od izstrelitve narasla za 10 kilometrov na dan! In če lahko pešec uporablja svoj um in papirni zemljevid, potem se bodo letalski piloti znašli v težki situaciji, saj je nemogoče krmariti po oblakih.
Če danes še ni najdena praktična uporaba odkritij na LHC, to ne pomeni, da se znanstveniki »zaman poigravajo s trkalnikom«. Kot veste, razumna oseba vedno želi pridobiti največjo možno praktično uporabo obstoječega znanja, zato bo znanje o naravi, nabrano v procesu raziskovanja na LHC, zagotovo našlo svojo uporabo, prej ali slej. Kot je bilo že prikazano zgoraj, povezava med temeljnimi odkritji in tehnologijami, ki jih uporabljajo, včasih morda sploh ni očitna.
Na koncu omenimo še tako imenovana posredna odkritja, ki niso zastavljena kot začetni cilj študije. Pojavijo se precej pogosto, saj temeljno odkritje običajno zahteva uvajanje in uporabo novih tehnologij. Tako je razvoj optike dobil zagon iz temeljnih vesoljskih raziskav, ki so temeljile na opazovanjih astronomov s teleskopom. V primeru CERN-a se je tako pojavila vseprisotna tehnologija: internet, projekt, ki ga je leta 1989 predlagal Tim Berners-Lee, da bi olajšal iskanje podatkov organizacije CERN.
) - ena od vrst resonančnih cikličnih pospeševalnikov. Zanj je značilno, da med pospeševanjem delcev ostaja orbita žarka konstantnega radija, vodilno magnetno polje upogibnih magnetov, ki določa ta radij, pa se s časom povečuje. Poleg tega ostaja frekvenca pospeševalnega električnega polja konstantna (za razliko od sinhrofazotrona). Jasno je, da je za žarke ultrarelativističnih delcev obdobje revolucije določeno le z dolžino orbite in ker se ne spreminja, ni treba spreminjati frekvence električnega polja. Zato so vsi resonančni ciklični pospeševalniki lahkih delcev (elektronov in pozitronov), pa tudi visokoenergijski protonski in ionski stroji, kot sta LHC in Tevatron, sinhrotroni. Sinhrotron je dosegel energije okoli 4 TeV za protone (LHC) in več kot 100 GeV za elektrone (LEP). Nadaljnje povečevanje energije v elektronskih sinhrotronih namreč zaradi velikih izgub energije zaradi sevanja ni mogoče. Izguba energije na vrtljaj je sorazmerna s 4. potenco energije: W ~ E 4 /R.
Osnovna zgradba sinhrotrona
Sinhrotron je elektrovakuumska naprava s približno obročasto vakuumsko komoro, v kateri se delci pospešujejo do hitrosti blizu svetlobne hitrosti, močni elektromagneti, ki stojijo na njihovi poti, pa določajo tirnico njihovega gibanja. V vakuumski komori se nenehno vzdržuje ultra visok vakuum (približno 10 -9 Torr in več), da se prepreči razprševanje delcev žarka na preostalih plinskih atomih. Sinhrotron deluje po resonančnem principu pospeševanja, to pomeni, da krožeči šop delcev vstopi v pospeševalno električno polje VF resonatorja vedno v isti fazi, delci pa prejmejo majhen delež energije, veliko manjši od kinetične energije. že imajo. Pospešek delcev nastane zaradi večkratnih letov (~10 6-krat na sekundo) skozi pospeševalni del.
Poglej tudi
Napišite oceno o članku "Sinhrotron"
Literatura
- v Fizični enciklopediji
- , E.J.N. Wilson, CERN, Proc. EPAC"1996.
|
||||||||||||
Odlomek, ki označuje Sinhrotron
Južna pomlad, mirno, hitro potovanje v dunajski kočiji in samota ceste so na Pierra vplivali veselo. Bila so posestva, ki jih še ni obiskal – eno slikovitejše od drugega; Ljudje povsod so bili videti uspešni in ganljivo hvaležni za koristi, ki so jim bile storjene. Povsod so bila srečanja, ki so Pierra, čeprav so spravljala v zadrego, globoko v njegovi duši vzbudila vesel občutek. Na nekem mestu so mu kmetje ponudili kruh in sol ter podobo Petra in Pavla ter prosili dovoljenja v čast njegovemu angelu Petru in Pavlu, v znak ljubezni in hvaležnosti za dobra dela, ki jih je storil, postaviti novo kapelo v cerkvi na lastne stroške. Drugod so ga srečale žene z dojenčki in se mu zahvaljevale, da ga je rešil težkega dela. Na tretjem posestvu ga je pričakal duhovnik s križem, obkrožen z otroki, ki jih je po grofovi milosti učil pismenosti in verouka. Na vseh posestvih je Pierre na lastne oči po istem načrtu videl kamnite zgradbe bolnišnic, šol in ubožnic, ki naj bi jih kmalu odprli. Pierre je povsod videl poročila upraviteljev o zmanjšanem delu v primerjavi s prejšnjim in slišal za to ganljivo zahvalo poslancev kmetov v modrih kaftanih.Pierre le ni vedel, da je bila tam, kjer so mu nosili kruh in sol in zgradili kapelo Petra in Pavla, trgovska vas in sejem na Petrovo, da so kapelico že davno zgradili bogati kmetje. vasi, tisti, ki so prihajali k njemu, in da devet desetin Kmetje te vasi so bili v največjem propadu. Ni vedel, da zaradi dejstva, da so po njegovem ukazu prenehali pošiljati otroke žensk z dojenčki na porod, ti isti otroci opravljajo najtežje delo na svoji polovici. Ni vedel, da je duhovnik, ki ga je srečal s križem, obremenjeval kmete s svojimi izsiljevanji in da so bili učenci, ki so se k njemu zbrali s solzami, dani njemu in so jih njihovi starši odkupili za veliko denarja. Ni vedel, da so kamnita poslopja, po načrtu, postavili lastni delavci in povečali le na papirju zmanjšano ljudstvo kmetov. Ni vedel, da tam, kjer mu je upravnik v knjigi nakazal, da se je dajatev po njegovi volji zmanjšala za eno tretjino, je bila carvée dodana za polovico. In zato je bil Pierre navdušen nad svojim potovanjem po posestvih in se je popolnoma vrnil k človekoljubnemu razpoloženju, v katerem je zapustil Sankt Peterburg, in pisal navdušena pisma svojemu bratu mentorju, kot je imenoval velikega mojstra.
"Kako enostavno, kako malo truda je potrebno, da naredimo toliko dobrega, je pomislil Pierre, in kako malo nam je mar za to!"
