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.
Продолжу свой рассказ про посещение дня открытых дверей в CERN.
Часть 3. Вычислительный центр.
В этой части я расскажу о месте, где хранят и обрабатывают то, что является продуктом работы CERN - результаты экспериментов. Речь пойдет про вычислительный центр, хотя правильнее, наверное, его назвать дата центром. Но сначала я немного коснусь проблематики вычислений и хранения данных в CERN. Каждый год один только Большой Адронный Коллайдер производит такое количество данных, что если их записать на CD, получится стопка высотой 20 километров. Это происходит из-за того, что при работе коллайдера пучки сталкиваются 30 миллионов раз в секунду и при каждом столкновении возникает примерно 20 событий, каждое из которых производит большое количество информации в детекторе. Конечно, эта информация обрабатывается сначала в самом детекторе, затем поступает в локальный вычислительный центр и только потом передается в главный центр хранения и обработки данных. Тем не менее, приходится обрабатывать примерно петабайт данных каждый день. К этому надо добавить то, что эти данные надо не только хранить но и распределять между исследовательскими центрами по всему миру, а кроме того, поддерживать примерно 4000 пользователей WiFi сети в самом CERN. Необходимо добавить, что существует вспомогательный центр хранения и обработки данных в Венгрии, с которым существует 100 гигабитный линк. При этом внутри CERN проложено 35000 километров оптического кабеля.
Однако, таким мощным компьютерный центр был не всегда. На фотографии видно, как менялось используемое оборудование с течением времени.
Сейчас произошел переход от мейнфреймов к гриду обычных РС. В настоящее время центр обладает 90000 процессорных ядер в 10000 серверов, которые работают 24 часа в сутки 7 дней в неделю. В среднем на этом гриде одновременно работает 250000 заданий по обработке данных. Этот вычислительный центр находится на пике современных технологий и, часто, двигает вычислительную технику и IT вперед для решения задач, необходимых для хранения и обработки таких больших объемов данных. Достаточно упомянуть то, что в здании, находящемся недалеко от вычислительного центра Тимом Бернерсом-Ли был изобретен World Wide Web (расскажите об этом тем идиотам альтернативно одаренным, которые, сидя в интернете, говорят, что фундаментальная наука не приносит пользы).
Однако вернемся к проблеме хранения данных. На фотографии видно, что в допотопные времена раньше данные хранились на магнитных дисках (Да, да, я помню эти диски объемом 29 мегабайт на ЕС ЭВМ).
Чтобы посмотреть, как обстоят дела сегодня, я иду к зданию, где находится вычислительный центр.
Там, на удивление, народу не очень много и я довольно быстро прохожу внутрь. Нам показывают небольшой фильм, а затем ведут к запертой двери. Наш гид открывает дверь и мы оказываемся в достаточно большом зале, где находятся шкафы с магнитными лентами, на которых и записана информация.
Большая часть зала занята этими самыми шкафами.
В них хранится порядка 100 петабайт информации (что эквивалентно 700 годам Full HD видео) в 480 миллионах файлов. Интересно, что к этой информации имеют доступ примерно 10000 физиков по всему миру в 160 вычислительных центрах. Эта информация содержит все экспериментальные данные начиная с 70-х годов прошлого века. Если присмотреться повнимательнее, видно, как эти магнитные ленты расположены внутри шкафов.
В некоторых стойках находятся процессорные модули.
На столе располагается небольшая выставка того, что используется для хранения данных.
Этот вычислительный центр потребляет 3.5 мегаватта электрической энергии и имеет свой дизель-генератор на случай отключения электричества. Надо также сказать про систему охлаждения. Она расположена снаружи здания и гонит холодный воздух под фальш-полом. Водяное охлаждение используется лишь на небольшом числе серверов.
Если взглянуть внутрь шкафа, видно, как происходит автоматическая выборка и загрузка магнитных лент.
Вообще-то этот зал является не единственным залом, где расположена вычислительная техника, но то, что посетителей пустили хотя-бы сюда уже вызывает уважение к организаторам. Я сфотографировал то, что демонстрировалось на столе.
После этого появилась другая группа посетителей и нас попросили на выход. Делаю последнюю фотографию и покидаю вычислительный центр.
В следующей части я расскажу про мастерские, где создается и собирается уникальное оборудование, которое используется в физических экспериментах.
Как же работает большой адронный коллайдер? В основе работы БАК, как и всех ускорителей, заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.
Как уже упоминалось, скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме . Разгон частиц до таких больших скоростей 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 28ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо.
Адронный коллайдер 2009
Всё кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов. Под воздействием магнитного поля элементарные частицы не улетают прочь по касательной, а остаются внутри кольца. Кроме того, специальные фокусирующие магниты не дают протонам во время движения колебаться в продольном направлении и задевать стенки вакуумной трубы, в которой осуществляется движение.
Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Магниты используются двух видов — квадропульные (392 шт.) и дипольные (1232 шт.). Именно дипольные магниты удерживают частицы, тогда как квадропульные магниты нужны для того, что бы максимально повысить шансы на взаимодействие частиц, которые может произойти в местах пересечения труб. Общий вес одного магнита составляет более 27 тонн.
Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для проведения в рабочее состояние их необходимо охлаждать до температуры 1,9 К (или -271,3 градуса по Цельсию). Это ниже, чем температура в открытом космическом пространстве (2,7 К или -270,5 градуса по Цельсию). Чтобы охладить 36800 тонн конструкции и получить космический холод в земных условиях, для БАК пришлось создать мощнейшую криогенную систему, содержащую более 40000 герметичных сварных швов, и использующую 10000 тонн жидкого азота и 130 тонн жидкого гелия.
В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. В точке столкновения протонов ожидается температура более чем в 100 тым. раз выше, чем в центре Солнца, при том, что сверхпроводящие магниты БАКе будут охлаждены до -271,3 градуса по Цельсию. Так что, можно сказать, БАК — это одновременно и самая горячая, и самая холодная машина в мире.
Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.
При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» — элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в будущем по тем же трубам будут ускорять не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.
Однако столкнуть две частицы «лоб в лоб» — это только половина дела. К сожалению, сегодня в распоряжении ученых нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму, которая исчезнет без следа через ничтожно короткий промежуток времени 10 (в минус 23 степени) секунды. О результатах эксперимента приходится судить по следам, оставленным частицами, родившимися в ходе эксперемаента. Для регистрации чатиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы — детекторы. Их шесть — ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (Yhe Large Hadron Collider beauty experiment), TOTEM (TOTal Elastic and diffraclive cross section Measurement) и LHCf (The Large Hadron Collider forward).
Адронный коллайдер 2010
Детектор под название ALICE предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы. Детекторы ATLAS и CMS, как надеются физики, смогут «поймать» бозон Хиггса и темную материю. Задача детекторы LHCb — исследование физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией. TOTEM — для изучения «несталкивающихся частиц» (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же «несталкивающихся частиц».
Количество информации, получаемой этими детекторами беспрецедентно велико, к тому же ее требуется передавать во все страны, где работают участники экспериментов. Поэтому в ЦЕРНе создается новая система для быстрого распространения огромных массивов данных — GRID. Эта система должна будет хранить и обсчитывать данные, получаемые с детекторов ускорителя. Поток данных будет достигать 15 млн. гигабайт в год, что соответствует стопке из 100 тыс. DVD. Возможно система GRID станет и прообразом нового Суперинтернета.Учитывая, что сам Интернет и Всемирная паутина родились, именно в ЦЕРНе. Здесь уже в 80-е годы стала насущной задача быстрой передачи больших международных коллективов ученых, разбросанных по все континентам. В результате в ЦЕРНе был впервые создан прототип Всемирной паутины и разработано соответствующее программное обеспечение.
Техноплаза-Сибирь: ремонт техники , ремонт грузовых автомобилей , ремонт легковых автомобилей в Новосибирске
Вы уже наверное в курсе, что ученые Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) обнаружили признаки существования так называемой "божественной частицы" - бозона Хиггса. Давайте посмотрим как это было.
4 июля 2012 учеными из европейского центра ядерных исследований ЦЕРН в Швейцарии обнаружили бозон Хиггса — субатомную частицу, называемую «частицей бога» . Поиски «божественной» частицей велись почти 50 лет. Обнаружить бозон Хиггса удалось во время экспериментов на Большом адронном коллайдере, основные кольца ускорителя которого находятся в 27-километровом подземном тоннеле.
Бозон Хиггса является важнейшим элементом Стандартной модели — физической теории, описывающей взаимодействие всех элементарных частиц: он объясняет наличие такого явления как масса.
Познакомимся поближе с фантастической машиной, стоимостью до 6 млрд долларов, которая обнаружила бозон Хиггса. Добро пожаловать в мир субатомных частиц!
На фотографии: Английский физик-теоретик , член Королевского Общества Эдинбурга Питер В. Хиггс . Это он в 60-е годы предсказал существование бозона Хиггса, который отвечает за массу всех элементарных частиц.
В своих выступлениях Питер заявлял, что если бозон не будет обнаружен, это будет означать, что он и многие другие физики больше не понимают как взаимодействуют элементарные частицы. Частица Хиггса настолько важна, что американский физик, нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал ее «частицей бога».
Итак, как уже говорилось, бозон Хиггса был обнаружен во время экспериментов на Большом адронном коллайдере. Он был построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН) недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции. (Фото Anja Niedringhaus | AP):
Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире . Это гигантский ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов. Посмотрим, как он создавался. На фотографии: идет прокладка туннеля под землёй на территории Франции и Швейцарии с длиной окружности почти 27 км, 2000-й год. Глубина нахождения туннеля - от 50 до 175 метров. (Фото Laurent Guiraud | © 2012 CERN):
В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран, в том числе и из России. На фотографии: идет монтаж торцевого адронного калориметра детектора ATLAS , который как раз и предназначен для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности темной материи. Всего на Большом адронном коллайдере работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора. 12 августа 2003 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Большим коллайдер назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 метров. Объезжать 27-километровый подземный тоннель , предназначенный для размещения кольцевого ускорителя, лучше всего на транспорте, 24 октября 2005 год. (Фото Laurent Guiraud | © 2012 CERN):
Электромагнитный калориметр - прибор, который измеряет энергию частиц. В собранном виде представляет собой стену высотой более 6 метров и 7 метров в ширину. Состоит из 3 300 блоков. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Идея строительство Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году. На фотографии: кольцевой ускоритель Большого адронного коллайдера, находящейся в подземном тоннеле прямо под Международным женевским аэропортом, 31 мая 2007 года. (Фото Keystone, Martial Trezzini | AP):
Коллайдер называется адронным из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжелые частицы, состоящие из кварков. 19 октября 2006 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Доставка на место торцевого магнита детектора ATLAS, 29 мая 2007 года. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):
Основной целью строительства Большого адронного коллайдера было уточнение или опровержение Стандартной модели - теоретической конструкции в физике, формирование которой было завершено в 1960-1970-х годах, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного): сильное, слабое и электромагнитное. Главной задачей Большого адронного коллайдера было экспериментально доказать существование бозона Хиггса. Он был обнаружен 4 июля 2012.
Это составная часть ALICE - одной из шести экспериментальных установок, сооруженных на Большом адронном коллайдере. 3 584 кристаллов вольфрамата свинца. ALICE оптимизирована для изучения столкновений тяжелых ионов. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Экспериментальная установка ALICE , 2007 год. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Официальный запуск коллайдера был произведен 10 сентября 2008 года. Данные, поступающие с Большого адронного коллайдера, обрабатываются в 140 дата-центрах, расположенных в 33 странах по всему миру. Ежегодно приходится обрабатывать 15 миллионов гигабайт данных! На фотографии: дата-центр в Женеве, 3 октября 2008 года. (Фото Valentin Flauraud | Reuters):
Детектор ATLAS во время сборки 11 ноября 2005 года. Общие размеры детектора ATLAS: длина - 46 метров, диаметр - 25 метров, общий вес - около 7 000 тонн. На этом детекторе проводят одноименный эксперимент, предназначенный для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, в том числе и только что обнаруженного бозона Хиггса. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Компактный мюонный соленоид - один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц, созданных в Европейском центре ядерных исследований и предназначенный для исследования свойств микромира. Он расположен в подземной пещере внушительных размеров: 53 метров в длину, 27 метров в ширину и 24 метров в высоту. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Английский физик Питер Хиггс , чьим именем назвали бозон. Рядом с детектором ATLAS, апрель 2008 года. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):
Наблюдения за бозонами Хиггса не только позволят разобраться в происхождении массы, но и помогут разгадать загадку темной материи. (Фото Michael Hoch | © 2012 CERN):
Сборка Большого адронного коллайдера, 16 июня 2008 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
27-километровый подземный тоннель содержит две трубы, которые идут параллельно и пересекаются лишь в местах расположения детекторов.
На фотографии: линейный ускоритель низкоэнергетических частиц Linac2 , расположенный подземном тоннеле. Всего Большой адронный коллайдер имеет шесть главных ускорителей. (Фото Keystone, Martial Trezzin | AP):
Внутренний детектор ATLAS , 23 августа 2006 года. Детектор производит огромное количество информации - около 1 Пбайт = 1 024 Тбайт «сырых» данных в секунду! (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):
В эксперименте ATLAS участвовали около 2 000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и университетов из 35 стран, в том числе и из России. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):
Фантастическая машина - Большой адронный коллайдер. На фотографии: универсальный детектор элементарных частиц - компактный мюонный соленоид . (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
В 2009 году стоимость Большого адронного коллайдера оценивалась от 3.2 до 6.4 млрд евро, что делало его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества .
На фотографии: один из торцевых калориметров детектора ATLAS, 16 февраля 2007 года. Невероятно большая и сложная конструкция. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):
Еще одна фотография детектора элементарных частиц - компактного мюонного соленоида , 2007 год.(Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Вокруг Большого адронного коллайдера ходило много слухов. Например, что он представляет огромную опасность для человечества, и его запуск может привести к концу света . Поводом стали заявления ученых о том, что в результате столкновений частиц в коллайдере могут якобы образоваться микроскопические черные дыры: после этого появились мнения, что в них может «засосать» всю нашу Землю.
Также, высказывались опасения, что обнаружение бозона Хиггса вызовет бесконтрольный рост массы во Вселенной. Появился даже анекдот: «У физиков есть традиция - один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать адронный коллайдер». Причина слухов оказалась банальной: слова ученых были искажены и неверно интерпретированы журналистами. (Фото Michael Hoch | © 2012 CERN):
Монтаж кольцевого ускорителя в подземном тоннеле, 1 ноября 2007 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
Работы внутри пещеры по размещению калориметра (прибора, который измеряет энергию частиц) на детекторе ATLAS, январь 2011 года. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN)
(Фото Claudia Marcelloni/© 2012 CERN):
Еще больше. После окончания сеанса работы в 2012 году коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно будет длиться не менее полутора лет и займёт весь 2013 года. Некоторые ученые из США и Японии предлагают после окончания работы над Большим адронным коллайдером начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером.
На фотографии: восемь труб – это магниты, окружающие калориметра. Вся эта огромная конструкция является частью одного из детекторов частиц Большого адронного коллайдера. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):
По мнению учёных, обнаруженный бозон Хиггса может пролить свет на происхождение Вселенной и понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва. (Фото CERN | AP):
Это был рассказ о Большом адронном коллайдере - фантастической машине, стоимостью под 6 млрд. долларов. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN).
Год назад, в рамках фестиваля «Весна науки», который ежегодно проходит в Льеже, мы с женой сконструировали механическую модель коллайдера элементарных частиц. Это очень простая модель, в которой катаются, сталкиваются и разлетаются металлические шарики. Но с помощью нее можно продемонстрировать с десяток физических явлений, которые происходят в реальных ускорителях и детекторах. Демонстрация модели школьникам шла на ура, они после объяснений сами лезли запускать шарики и регистрировать столкновения.
Сейчас у меня наконец-то дошли руки до того, чтоб снять ее в действии и рассказать, что интересного можно с помощью нее показывать.
Наша механическая модель состоит из С-образной трубы из плексигласа, металлической вставки хитрой формы, двух желобов, которые через окошки ведут в трубу, и поддона с мелким песочком, который играет роль детектора. Если одновременно отпустить два шарика, то, скатившись по желобам и влетев в кольцо, они столкнутся в центре металлической секции, вылетят наружу, и прочертят следы в тонком слое песка.
Все эти явления — чисто механические, здесь нет ни электричества, ни магнетизма, ни какого-то виртуального моделирования столкновений. Несмотря на кажущуюся примитивность, эта модель подкупает своей «настоящестью». Все явления происходят на наших глазах, они осязаемы — и тем не менее они в кое в чем похожи на процессы в реальных коллайдерах элементарных частиц.
Технические подробности
Если кто-то захочет самостоятельно сделать подобную модель, то вот несколько замечаний и советов.
1) Самая сложная в изготовлении часть — это труба. Мы заказывали ее в фирме, которая как раз гнет трубы из плексигласа. Главная трудность — сделать так, чтоб внутренняя поверхность была гладкой и ровной, без морщин. При таком соотнощении радиуса трубы и радиуса закругления это оказалось не так уж и просто, фирма сделала это вовсе не с первой попытки. Для примера выкладываю чертеж трубы с параметрами, которые я запросил у фирмы. Можно, конечно, сделать трубу из чего-то другого, надо только убедиться, что материал достаточно жесткий — иначе шарик не будет долго катиться (на нашей модели он делает 3-4 оборота, это достаточно для демонстрации).
2) В окрестности места столкновений труба должна быть максимально плоской, чтобы позволить частицам вылетать вбок без подпрыгивания. Поэтому центральная секция у нас выполнена в виде металлической вставки, которая вначале повторяет кривизну трубы, а к центру распрямляется. Поскольку нереально просчитать заранее все параметры, надо дать себе свободу действий для настройки этой секции. Кроме того, надо сделать так, чтобы на месте стыка трубы и вставки не было ступеньки.
3) Опять же, трудно заранее просчитать, под каким углом и с какой скоростью шарики должны влетать в трубу, чтобы попасть на хорошую траекторию и не вылететь в центральной секции. Здесь тоже надо предоставить себе свободу маневров, как по высоте, так и по углу. Мы использовали для этого липучки-велкро на концах желобов, на их держателе, и на окошках трубы.