รายงานแฮดรอนคอลไลเดอร์ Hadron Collider - ข่าวสาร รูปภาพ วิดีโอล่าสุด

(หรือ ถัง)- ปัจจุบันเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดและทรงพลังที่สุดในโลก ยักษ์ใหญ่นี้เปิดตัวในปี 2551 แต่เป็นเวลานานที่มันทำงานโดยมีกำลังการผลิตลดลง เรามาดูกันว่ามันคืออะไร และทำไมเราถึงต้องการเครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่

ประวัติศาสตร์ ตำนาน และข้อเท็จจริง

แนวคิดในการสร้าง Collider ได้รับการประกาศในปี 1984 และโครงการก่อสร้างเครื่องชนกันนั้นได้รับการอนุมัติและนำไปใช้แล้วในปี 2538 การพัฒนานี้เป็นของศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN) โดยทั่วไปแล้ว การเปิดตัวเครื่องชนกันนั้นดึงดูดความสนใจอย่างมากไม่เพียงแต่จากนักวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงคนธรรมดาจากทั่วทุกมุมโลกด้วย พวกเขาพูดคุยเกี่ยวกับความกลัวและความน่าสะพรึงกลัวทุกประเภทที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยเครื่องชนกัน

อย่างไรก็ตาม ในตอนนี้อาจมีบางคนกำลังรอวันสิ้นโลกที่เกี่ยวข้องกับงานของ LHC และกำลังคิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นหาก Large Hadron Collider ระเบิด แม้ว่าก่อนอื่น ทุกคนกลัวหลุมดำ ซึ่งในตอนแรกมีขนาดเล็กมาก จะเติบโตและดูดซับตัวชนกันอย่างปลอดภัยก่อน จากนั้นจึงตามด้วยสวิตเซอร์แลนด์และส่วนอื่นๆ ของโลก หายนะการทำลายล้างยังทำให้เกิดความตื่นตระหนกอย่างมาก นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งถึงกับยื่นฟ้องเพื่อพยายามหยุดการก่อสร้าง คำกล่าวดังกล่าวระบุว่ากระจุกปฏิสสารที่สามารถผลิตได้ในเครื่องชนกันจะเริ่มทำลายล้างด้วยสสาร ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ และจักรวาลทั้งหมดจะถูกทำลาย ดังที่ตัวละครชื่อดังจาก Back to the Future กล่าวว่า:

แน่นอนว่าทั้งจักรวาลอยู่ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด ที่ดีที่สุดมีเพียงกาแล็กซีของเราเท่านั้น ดร.เอเมต บราวน์.

ทีนี้ลองมาทำความเข้าใจว่าทำไมมันถึงเป็นฮาโดรนิก? ความจริงก็คือมันใช้งานได้กับฮาดรอน หรือค่อนข้างจะเร่ง เร่ง และชนฮาดรอน

ฮาดรอนส์– ประเภทของอนุภาคมูลฐานที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบรุนแรง Hadrons ทำจากควาร์ก

ฮาดรอนแบ่งออกเป็นแบริออนและมีซอน เพื่อให้ง่ายขึ้น สมมติว่าเรื่องเกือบทั้งหมดที่เรารู้จักประกอบด้วยแบริออน เรามาอธิบายให้ง่ายขึ้นอีกว่าแบริออนคือนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอม)

เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ทำงานอย่างไร

ขนาดที่น่าประทับใจมาก เครื่องชนกันเป็นอุโมงค์ทรงกลมที่ตั้งอยู่ใต้ดินที่ระดับความลึกหนึ่งร้อยเมตร เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ มีความยาว 26,659 เมตร โปรตอนถูกเร่งความเร็วให้ใกล้เคียงกับความเร็วแสง บินเป็นวงกลมใต้ดินข้ามดินแดนของฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ ถ้าให้เจาะจงก็คือ ความลึกของอุโมงค์อยู่ระหว่าง 50 ถึง 175 เมตร แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดใช้ในการโฟกัสและบรรจุลำแสงโปรตอนที่กำลังบินอยู่ ความยาวรวมประมาณ 22 กิโลเมตร และพวกมันทำงานที่อุณหภูมิ -271 องศาเซลเซียส

Collider ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับขนาดยักษ์ 4 เครื่อง: ATLAS, CMS, ALICE และ LHCb นอกจากเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่หลักแล้ว ยังมีเครื่องตรวจจับเสริมอีกด้วย เครื่องตรวจจับได้รับการออกแบบมาเพื่อบันทึกผลการชนกันของอนุภาค นั่นคือหลังจากที่โปรตอนสองตัวชนกันด้วยความเร็วใกล้แสง ไม่มีใครรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้น หากต้องการ "ดู" สิ่งที่เกิดขึ้น มันเด้งตรงไหน และบินไปได้ไกลแค่ไหน มีเครื่องตรวจจับที่อัดแน่นไปด้วยเซ็นเซอร์ทุกชนิด

ผลลัพธ์ของเครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่

ทำไมคุณถึงต้องการคอลไลเดอร์? แน่นอนว่าจะไม่ทำลายโลก ดูเหมือนว่าการชนกันของอนุภาคคืออะไร? ความจริงก็คือมีคำถามที่ยังไม่ได้ตอบมากมายในฟิสิกส์สมัยใหม่และการศึกษาโลกด้วยความช่วยเหลือของอนุภาคที่มีความเร่งสามารถเปิดชั้นความเป็นจริงใหม่เข้าใจโครงสร้างของโลกและอาจตอบคำถามหลักด้วยซ้ำ “ความหมายของชีวิต จักรวาล และโดยทั่วไป” .

LHC มีการค้นพบอะไรบ้าง? สิ่งที่มีชื่อเสียงที่สุดคือการค้นพบ ฮิกส์ โบซอน(เราจะอุทิศบทความแยกต่างหากให้เขา) นอกจากนี้พวกเขายังเปิดอยู่ 5 อนุภาคใหม่, ได้รับข้อมูลแรกเกี่ยวกับการชนที่พลังงานบันทึก, แสดงว่าไม่มีความไม่สมดุลของโปรตอนและแอนติโปรตอน, ค้นพบความสัมพันธ์ของโปรตอนที่ผิดปกติ- รายการดำเนินต่อไปเป็นเวลานาน แต่ไม่สามารถตรวจพบหลุมดำขนาดจิ๋วที่ทำให้แม่บ้านหวาดกลัวได้

และแม้ว่าเครื่องชนกันจะยังไม่ถูกเร่งความเร็วจนมีกำลังสูงสุดก็ตาม ปัจจุบันพลังงานสูงสุดของ Large Hadron Collider คือ 13 เทฟ(เทราอิเล็กตรอน-โวลต์) อย่างไรก็ตาม หลังจากเตรียมการอย่างเหมาะสมแล้ว ก็มีแผนที่จะเร่งโปรตอนให้เร็วขึ้น 14 เทฟ- เพื่อการเปรียบเทียบในสารเร่ง-สารตั้งต้นของ LHC พลังงานที่ได้รับสูงสุดจะต้องไม่เกิน 1 เทวี- นี่คือวิธีที่เครื่องเร่งอนุภาคอเมริกันเทวาตรอนจากอิลลินอยส์สามารถเร่งอนุภาคได้ พลังงานที่ได้รับจากเครื่องชนนั้นยังห่างไกลจากพลังงานที่สูงที่สุดในโลก ดังนั้นพลังงานของรังสีคอสมิกที่ตรวจพบบนโลกจึงมีมากกว่าพลังงานของอนุภาคที่ถูกเร่งด้วยเครื่องชนกันหนึ่งพันล้านเท่า! ดังนั้นอันตรายจากเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนใหญ่จึงมีน้อยมาก มีแนวโน้มว่าหลังจากได้รับคำตอบทั้งหมดโดยใช้ LHC แล้ว มนุษยชาติจะต้องสร้างเครื่องชนกันที่ทรงพลังกว่านี้อีกตัวหนึ่ง

เพื่อนๆ รักวิทยาศาสตร์ แล้วมันจะรักคุณแน่นอน! และยังสามารถช่วยให้คุณหลงรักวิทยาศาสตร์ได้อย่างง่ายดาย ผู้เขียนของเรา- ขอความช่วยเหลือและให้การศึกษาของคุณทำให้คุณมีความสุข!

เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่มีการชนกันโดยทั่วไป (แม้ว่าจะมีพลังมหาศาลก็ตาม) ซึ่งออกแบบมาเพื่อเร่งโปรตอนและไอออนหนัก (ไอออนตะกั่ว) และศึกษาผลคูณของการชนกัน LHC เป็นกล้องจุลทรรศน์ที่ได้รับความช่วยเหลือจากนักฟิสิกส์ในการไขปริศนาว่าสสารประกอบด้วยอะไรและอย่างไร โดยได้รับข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของมันในระดับจุลทรรศน์ใหม่ที่ละเอียดยิ่งขึ้นไปอีก

หลายคนตั้งตารอว่าจะเกิดอะไรขึ้นหลังจากการเปิดตัว แต่ไม่มีอะไรเกิดขึ้นจริง ๆ โลกของเราน่าเบื่อมากสำหรับสิ่งที่น่าสนใจและยิ่งใหญ่ที่จะเกิดขึ้น นี่คืออารยธรรมและมงกุฎแห่งการสร้างสรรค์คือมนุษย์ เป็นเพียงการที่กลุ่มพันธมิตรของอารยธรรมและผู้คนได้ปรากฏออกมา หลังจากรวมตัวกันในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา เรากำลังสร้างมลพิษให้กับโลกด้วยความก้าวหน้าทางเรขาคณิต และทำลายทุกสิ่งที่สะสมไว้อย่างป่าเถื่อน เป็นเวลาหลายล้านปี เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในโพสต์อื่น ดังนั้นนี่คือ แฮดรอน คอลไลเดอร์.

ตรงกันข้ามกับความคาดหวังอันมากมายและหลากหลายของประชาชนและสื่อ ทุกอย่างผ่านไปอย่างเงียบๆ และสงบสุข โอ้ ทุกอย่างมันเกินจริงไปเสียหมด เช่น หนังสือพิมพ์ซ้ำแล้วซ้ำเล่า: “LHC = จุดจบของโลก!”, “เส้นทางสู่ภัยพิบัติหรือการค้นพบ?”, “การทำลายล้างภัยพิบัติ” พวกเขาเกือบจะทำนายจุดจบของ โลกและหลุมดำขนาดยักษ์ที่จะดูดกลืนไปทั่วทั้งโลก เห็นได้ชัดว่าทฤษฎีเหล่านี้ถูกหยิบยกขึ้นมาโดยนักฟิสิกส์ที่น่าอิจฉาซึ่งที่โรงเรียนไม่ได้รับใบรับรองการสำเร็จการศึกษาด้วยหมายเลข 5 ในวิชานี้

ตัวอย่างเช่นมีนักปรัชญาพรรคเดโมคริตุสซึ่งอยู่ในกรีกโบราณของเขา (โดยวิธีการนี้เด็กนักเรียนสมัยใหม่เขียนสิ่งนี้ด้วยคำเดียวเพราะพวกเขามองว่ามันเป็นประเทศแปลก ๆ ที่ไม่มีอยู่จริงเช่นสหภาพโซเวียตเชโกสโลวะเกียออสเตรีย - ฮังการีแซกโซนี , Courland ฯลฯ - "กรีกโบราณ") เขาแสดงทฤษฎีบางอย่างที่ว่าสสารประกอบด้วยอนุภาคที่แบ่งแยกไม่ได้ - อะตอมแต่นักวิทยาศาสตร์พบหลักฐานนี้หลังจากผ่านไปประมาณ 2,350 ปีเท่านั้น อะตอม (แบ่งแยกไม่ได้) ยังสามารถแบ่งออกได้ ซึ่งถูกค้นพบในอีก 50 ปีต่อมา อิเล็กตรอนและเมล็ดพืชและ แกนกลาง- สำหรับโปรตอนและนิวตรอน แต่ปรากฎว่าพวกมันไม่ใช่อนุภาคที่เล็กที่สุดและในทางกลับกันก็ประกอบด้วยควาร์ก ปัจจุบันนี้นักฟิสิกส์เชื่อว่า ควาร์ก- ขีดจำกัดของการแบ่งสสารและไม่มีอะไรน้อยไปกว่านั้น ควาร์กที่รู้จักมีอยู่หกประเภท: ขึ้น, แปลก, มีเสน่ห์, ความงาม, จริง, ลง - และพวกมันเชื่อมโยงกันด้วยกลูออน

คำว่า "collider" มาจากภาษาอังกฤษ collide - to collide ในเครื่องชนกัน อนุภาคสองตัวที่พุ่งออกมาจะลอยเข้าหากัน และเมื่ออนุภาคชนกัน พลังงานของลำแสงก็จะถูกเพิ่มเข้าไป ในขณะที่เครื่องเร่งความเร็วแบบธรรมดาซึ่งสร้างและใช้งานมาหลายทศวรรษ (รุ่นแรกที่มีขนาดและกำลังค่อนข้างปานกลางปรากฏขึ้นก่อนสงครามโลกครั้งที่สองในช่วงทศวรรษที่ 30) ลำแสงจะกระทบเป้าหมายที่อยู่นิ่งและพลังงานของการชนดังกล่าวนั้นมีมาก น้อย.

เครื่องชนกันนี้เรียกว่า "แฮดรอน" เพราะมันถูกออกแบบมาเพื่อเร่งฮาดรอน ฮาดรอนส์- นี่คือตระกูลของอนุภาคมูลฐานซึ่งรวมถึงโปรตอนและนิวตรอนซึ่งประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสของอะตอมทั้งหมดรวมถึงมีซอนต่างๆ คุณสมบัติที่สำคัญของฮาดรอนคือพวกมันไม่ใช่อนุภาคมูลฐานจริงๆ แต่ประกอบด้วยควาร์กที่ "เกาะติดกัน" ด้วยกลูออน

เครื่องชนกันมีขนาดใหญ่ขึ้นเนื่องจากขนาดของมัน - เป็นการติดตั้งการทดลองทางกายภาพที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีเพียงวงแหวนหลักของคันเร่งเท่านั้นที่ทอดยาวกว่า 26 กม.

สันนิษฐานว่าความเร็วของโปรตอนที่ถูกเร่งโดย LHC จะเป็น 0.9999999998 ของความเร็วแสง และจำนวนการชนกันของอนุภาคที่เกิดขึ้นในเครื่องเร่งทุกๆ วินาทีจะสูงถึง 800 ล้านพลังงานรวมของการชนกันของโปรตอนจะเท่ากับ 14 TeV (14 teraelectrovolts และนิวเคลียสตะกั่ว - 5.5 GeV สำหรับนิวคลีออนที่ชนกันแต่ละคู่ นิวเคลียส(จาก Lat. นิวเคลียส - นิวเคลียส) - ชื่อสามัญของโปรตอนและนิวตรอน

มีความคิดเห็นที่แตกต่างกันเกี่ยวกับเทคโนโลยีในการสร้างตัวเร่งความเร็วในปัจจุบัน: บางคนอ้างว่ามันถึงขีดจำกัดทางตรรกะแล้ว คนอื่น ๆ ว่าไม่มีขีดจำกัดของความสมบูรณ์แบบ - และบทวิจารณ์ต่างๆ ให้การวิจารณ์การออกแบบที่มีขนาดเล็กกว่า 1,000 เท่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่า กว่า LHC' A. ในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์หรือคอมพิวเตอร์ การย่อขนาดเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องพร้อมกับเพิ่มประสิทธิภาพไปพร้อมๆ กัน

Large Hardon Collider, LHC - เครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุในคานทั่วไป (แม้ว่าจะสูงมาก) ออกแบบมาเพื่อกระจายโปรตอนและไอออนหนัก (ไอออนตะกั่ว) และศึกษาผลคูณของการชนกัน BAC คือกล้องจุลทรรศน์ซึ่งฟิสิกส์จะคลี่คลาย อะไรและอย่างไรที่จะทำให้เรื่องการรับข้อมูลเกี่ยวกับอุปกรณ์ของมันในระดับจุลทรรศน์ใหม่มากยิ่งขึ้น

หลายคนรออย่างใจจดใจจ่อ แต่สิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากการวิ่งของเขา แต่ไม่มีอะไรในหลักการและยังไม่เกิดขึ้น - โลกของเราขาดอะไรไปมากที่เกิดขึ้นคือสิ่งที่น่าสนใจและทะเยอทะยานจริงๆ นี่คืออารยธรรมและมงกุฎแห่งการสร้างสรรค์ของมนุษย์ เพิ่งได้รับความร่วมมือจากอารยธรรมและผู้คน ความสามัคคี ร่วมกันมานานกว่าศตวรรษ ในดินแดน zagazhivaem ที่ก้าวหน้าทางเรขาคณิต และ beschinno ทำลายทุกสิ่งที่สะสมมานานหลายล้านปี เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในข้อความอื่นและนั่นคือ Hadron Collider

แม้จะมีความคาดหวังมากมายจากประชาชนและสื่อ แต่ทุกอย่างก็ดำเนินไปอย่างเงียบๆ และสงบสุข โอ้ยมันบวมไปหมดเหมือนหนังสือพิมพ์เรียงตามจำนวนห้อง: “BAC = จุดจบของโลก!”, “หนทางสู่การค้นพบหรือภัยพิบัติ?”, “ภัยพิบัติทำลายล้าง”, ใกล้จุดจบของโลกและ สิ่งต่าง ๆ นั้นเป็นหลุมดำขนาดมหึมาในซาโซเซตที่ทั่วทั้งแผ่นดิน บางทีทฤษฎีเหล่านี้ทำให้เกิดความอิจฉาริษยาในวิชาฟิสิกส์ซึ่งโรงเรียนไม่ได้รับใบรับรองการสำเร็จการศึกษาจากรูปที่ 5 ในหัวข้อนี้

ตัวอย่างเช่น นี่คือปราชญ์ชื่อเดโมคริตุส ซึ่งอยู่ในสมัยกรีกโบราณ (และบังเอิญที่นักเรียนในปัจจุบันเขียนมันด้วยคำเดียว ดังที่เห็นสิ่งนี้ไม่มีอยู่จริงอย่างแปลกประหลาด เช่น สหภาพโซเวียต เชโกสโลวะเกีย ออสเตรีย-ฮังการี แซกโซนี เคอร์แลนด์ ฯลฯ . - “Drevnyayagretsiya”) เขามีทฤษฎีบางอย่างที่สสารประกอบด้วยอนุภาคที่แบ่งแยกไม่ได้ - อะตอม แต่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบหลังจากผ่านไปประมาณ 2,350 ปีเท่านั้น อะตอม (แบ่งแยกไม่ได้) - สามารถแบ่งออกได้เช่นกัน โดยจะพบได้แม้หลังจากผ่านไป 50 ปีบนอิเล็กตรอนและนิวเคลียส และนิวเคลียส - โปรตอนและนิวตรอนที่ แต่เมื่อปรากฎว่าพวกมันไม่ใช่อนุภาคที่เล็กที่สุดและในทางกลับกันก็ประกอบด้วยควาร์ก จนถึงปัจจุบัน นักฟิสิกส์เชื่อว่าควาร์ก - ขีดจำกัดของการแบ่งสสารและอะไรก็ตามที่น้อยกว่านั้นไม่มีอยู่จริง เรารู้จักควาร์กหกประเภท: เพดาน, แปลก, มีเสน่ห์, มีเสน่ห์, ของแท้, ก้น — และพวกมันเชื่อมต่อกันด้วยกลูออน

คำว่า Collider มาจากภาษาอังกฤษ collide แปลว่า ใบหน้า ในเครื่องชนกัน อนุภาคสองตัวเริ่มบินเข้าหากันและลำแสงพลังงานของการชนก็เพิ่มเข้ามา ในขณะที่เครื่องเร่งความเร็วแบบธรรมดาซึ่งอยู่ระหว่างการก่อสร้างและใช้งานมานานหลายทศวรรษ (รุ่นแรกที่มีขนาดและกำลังปานกลางปรากฏก่อนสงครามโลกครั้งที่สองในช่วงทศวรรษที่ 30) Puchek โจมตีเป้าหมายที่ตายตัวและพลังงานของการชนกันนั้นมีมาก เล็กกว่า

ชื่อเครื่องชนกัน "ฮาโดรนิก" เพราะมันถูกออกแบบมาเพื่อกระจายฮาดรอน ฮาดรอน - เป็นตระกูลของอนุภาคมูลฐานซึ่งรวมถึงโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมทั้งหมด เช่นเดียวกับมีซอนหลากหลายชนิด คุณลักษณะที่สำคัญของฮาดรอนคือพวกมันไม่ใช่อนุภาคมูลฐานจริงๆ และประกอบด้วยควาร์กหรือกลูออนที่ติดกาว

เครื่องชนขนาดใหญ่เกิดขึ้นเนื่องจากขนาดของมัน ซึ่งเป็นการทดลองทางกายภาพที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีเพียงวงแหวนเร่งหลักเท่านั้นที่ทอดยาวกว่า 26 กม.

สันนิษฐานว่าความเร็วของถังที่กระจัดกระจายจะเท่ากับ 0.9999999998 โปรตอนต่อความเร็วแสง และจำนวนครั้งที่อนุภาคชนกันซึ่งกำเนิดจากเครื่องเร่งทุกๆ วินาที จนถึงพลังงานรวม 800 ล้านโปรตอนที่ชนกันจะเท่ากับ 14 TeV (14 เทราเอลเลกโตร-โวลต์, และนิวเคลียสของตะกั่ว - 5.5 GeV สำหรับนิวคลีออนที่ชนกันแต่ละคู่ (จาก Lat. นิวเคลียส - นิวเคลียส) - ชื่อสามัญของโปรตอนและนิวตรอน

มีมุมมองที่แตกต่างกันเกี่ยวกับการสร้างเทคโนโลยีตัวเร่งความเร็วจนถึงปัจจุบัน บางคนบอกว่ามันมาจากด้านที่เป็นตรรกะ บางคนบอกว่าความสมบูรณ์แบบไม่มีขีดจำกัด และการสำรวจต่างๆ ให้ภาพรวมของโครงสร้าง ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า 1,000 เท่า แต่สูงกว่า ผลผลิต BUCK 'ใช่ ในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์หรือคอมพิวเตอร์มีการย่อส่วนอย่างต่อเนื่องในขณะที่ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น

ประวัติความเป็นมาของการสร้างเครื่องเร่งความเร็ว ซึ่งเรารู้จักในปัจจุบันในชื่อ Large Hadron Collider เริ่มต้นในปี 2550 ในขั้นต้น ลำดับเหตุการณ์ของเครื่องเร่งความเร็วเริ่มต้นด้วยไซโคลตรอน อุปกรณ์ดังกล่าวเป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กที่สามารถวางบนโต๊ะได้อย่างง่ายดาย จากนั้นประวัติความเป็นมาของคันเร่งก็เริ่มพัฒนาอย่างรวดเร็ว ซินโครฟาโซตรอนและซินโครตรอนปรากฏขึ้น

ในประวัติศาสตร์ บางทีช่วงเวลาที่น่าสนใจที่สุดอาจเป็นช่วงระหว่างปี 1956 ถึง 1957 ในสมัยนั้น วิทยาศาสตร์ของโซเวียต โดยเฉพาะอย่างยิ่งฟิสิกส์ ไม่ได้ล้าหลังพี่น้องชาวต่างชาติ ด้วยประสบการณ์หลายปี นักฟิสิกส์ชาวโซเวียตชื่อ Vladimir Veksler ได้สร้างความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ เขาสร้างซินโครฟาโซตรอนที่ทรงพลังที่สุดในเวลานั้น กำลังปฏิบัติการของมันคือ 10 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (10 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์) หลังจากการค้นพบนี้ ได้มีการสร้างตัวอย่างเครื่องเร่งอนุภาคร้ายแรงขึ้น ซึ่งได้แก่ เครื่องชนอิเล็กตรอน-โพซิตรอนขนาดใหญ่ เครื่องเร่งปฏิกิริยาสวิส ในเยอรมนี สหรัฐอเมริกา พวกเขาทั้งหมดมีเป้าหมายร่วมกันคือการศึกษาอนุภาคพื้นฐานของควาร์ก

Large Hadron Collider ถูกสร้างขึ้นโดยต้องขอบคุณความพยายามของนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีเป็นหลัก ชื่อของเขาคือ คาร์โล รุบเบีย ผู้ได้รับรางวัลโนเบล ในอาชีพของเขา Rubbia ทำงานเป็นผู้อำนวยการของ European Organisation for Nuclear Research มีการตัดสินใจที่จะสร้างและปล่อยเครื่องชนแฮดรอนบนที่ตั้งของศูนย์วิจัย

ฮาดรอนคอลไลเดอร์อยู่ที่ไหน?

เครื่องชนกันนี้ตั้งอยู่บนพรมแดนระหว่างสวิตเซอร์แลนด์และฝรั่งเศส เส้นรอบวงของมันคือ 27 กิโลเมตร จึงเรียกว่าใหญ่ วงแหวนคันเร่งลึกตั้งแต่ 50 ถึง 175 เมตร Collider มีแม่เหล็ก 1232 อัน พวกมันเป็นตัวนำยิ่งยวดซึ่งหมายความว่าสามารถสร้างสนามสูงสุดสำหรับการเร่งความเร็วได้เนื่องจากแม่เหล็กดังกล่าวแทบไม่มีการใช้พลังงานเลย แม่เหล็กแต่ละอันมีน้ำหนักรวม 3.5 ตัน ยาว 14.3 เมตร

เช่นเดียวกับวัตถุทางกายภาพอื่นๆ Large Hadron Collider ก่อให้เกิดความร้อน ดังนั้นจึงต้องมีการระบายความร้อนอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จึงรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 1.7 เคลวิน โดยใช้ไนโตรเจนเหลว 12 ล้านลิตร นอกจากนี้ 700,000 ลิตรยังใช้ในการทำความเย็นและที่สำคัญที่สุดคือใช้แรงดันที่ต่ำกว่าความดันบรรยากาศปกติถึงสิบเท่า

อุณหภูมิ 1.7 K ในระดับเซลเซียสคือ -271 องศา อุณหภูมินี้เกือบจะใกล้เคียงกับสิ่งที่เรียกว่าขีดจำกัดขั้นต่ำที่เป็นไปได้ที่ร่างกายสามารถมีได้

ภายในอุโมงค์ก็มีความน่าสนใจไม่น้อย มีสายเคเบิลไนโอเบียมไทเทเนียมที่มีความสามารถในการเป็นตัวนำยิ่งยวด ความยาวของพวกเขาคือ 7,600 กิโลเมตร น้ำหนักรวมของสายเคเบิลคือ 1,200 ตัน ด้านในของสายเคเบิลเป็นสายสาน 6,300 เส้น ระยะทางรวม 1.5 พันล้านกิโลเมตร ความยาวนี้เท่ากับ 10 หน่วยดาราศาสตร์ เช่น เท่ากับ 10 หน่วยดังกล่าว

ถ้าเราพูดถึงที่ตั้งทางภูมิศาสตร์เราสามารถพูดได้ว่าวงแหวนของชนกันนั้นอยู่ระหว่างเมือง Saint-Genis และ Forney-Voltaire ซึ่งอยู่ทางฝั่งฝรั่งเศสรวมถึง Meyrin และ Vessourat ทางฝั่งสวิส วงแหวนเล็กๆ ที่เรียกว่า PS ทอดยาวไปตามเส้นผ่านศูนย์กลางของขอบ

ความหมายของการดำรงอยู่

เพื่อที่จะตอบคำถามว่า "แฮดรอนคอลไลเดอร์มีไว้เพื่ออะไร" คุณต้องหันไปหานักวิทยาศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์หลายคนกล่าวว่านี่คือสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ทั้งหมด และหากไม่มีสิ่งนี้ วิทยาศาสตร์ที่เรารู้จักในปัจจุบันก็ไม่มีความหมาย การดำรงอยู่และการเปิดตัวของ Large Hadron Collider เป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะเมื่ออนุภาคชนกันใน Hadron Collider จะเกิดการระเบิดขึ้น อนุภาคที่เล็กที่สุดทั้งหมดกระจัดกระจายไปในทิศทางที่ต่างกัน อนุภาคใหม่เกิดขึ้นซึ่งสามารถอธิบายการมีอยู่และความหมายของสิ่งต่างๆ ได้

สิ่งแรกที่นักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาในอนุภาคที่ชนเหล่านี้คืออนุภาคมูลฐานที่นักฟิสิกส์ Peter Higgs ทำนายไว้ตามทฤษฎี เชื่อกันว่าอนุภาคที่น่าทึ่งนี้เป็นพาหะของข้อมูล โดยทั่วไปเรียกว่า "อนุภาคของพระเจ้า" การค้นพบนี้จะทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจจักรวาลมากขึ้น ควรสังเกตว่าในปี 2555 ในวันที่ 4 กรกฎาคม เครื่องชนแฮดรอน (การเปิดตัวสำเร็จบางส่วน) ช่วยค้นพบอนุภาคที่คล้ายกัน ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม

นานแค่ไหน...

แน่นอนว่าคำถามก็เกิดขึ้นทันที: เหตุใดนักวิทยาศาสตร์จึงศึกษาอนุภาคเหล่านี้มานานแล้ว หากคุณมีอุปกรณ์ คุณสามารถเรียกใช้งานและรับข้อมูลได้มากขึ้นในแต่ละครั้ง ความจริงก็คือ การใช้งานเครื่องชนแฮดรอนถือเป็นเรื่องราคาแพง การเปิดตัวครั้งเดียวต้องใช้เงินเป็นจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น การใช้พลังงานต่อปีคือ 800 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง เมืองที่มีประชากรประมาณ 100,000 คนใช้พลังงานจำนวนนี้ตามมาตรฐานโดยเฉลี่ย และนั่นไม่รวมค่าบำรุงรักษา อีกเหตุผลหนึ่งก็คือที่เครื่องชนแฮดรอน การระเบิดที่เกิดขึ้นเมื่อโปรตอนชนกันนั้นเกี่ยวข้องกับการรับข้อมูลจำนวนมาก คอมพิวเตอร์อ่านข้อมูลจำนวนมากจนต้องใช้เวลาในการประมวลผลนานมาก แม้ว่าพลังของคอมพิวเตอร์ที่รับข้อมูลจะยิ่งใหญ่แม้ตามมาตรฐานปัจจุบันก็ตาม

เหตุผลต่อไปก็ไม่ค่อยมีใครรู้จัก นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานกับเครื่องชนกันในทิศทางนี้มั่นใจว่าสเปกตรัมที่มองเห็นได้ของทั้งจักรวาลมีเพียง 4% เท่านั้น สันนิษฐานว่าส่วนที่เหลือเป็นสสารมืดและพลังงานมืด พวกเขากำลังพยายามพิสูจน์เชิงทดลองว่าทฤษฎีนี้ถูกต้อง

Hadron Collider: เพื่อหรือต่อต้าน

ทฤษฎีสสารมืดที่ถูกหยิบยกมาทำให้เกิดความสงสัยในความปลอดภัยของแฮดรอนคอลไลเดอร์ คำถามเกิดขึ้น: “แฮดรอนคอลไลเดอร์: เพื่อหรือต่อต้าน?” เขาเป็นห่วงนักวิทยาศาสตร์หลายคน ผู้มีความคิดที่ยิ่งใหญ่ทั้งหมดของโลกแบ่งออกเป็นสองประเภท “ฝ่ายตรงข้าม” หยิบยกทฤษฎีที่น่าสนใจขึ้นมาว่าหากมีเรื่องดังกล่าวจะต้องมีอนุภาคที่อยู่ตรงข้ามกัน และเมื่ออนุภาคชนกันในตัวเร่งความเร็ว ส่วนสีเข้มก็จะปรากฏขึ้น มีความเสี่ยงที่ส่วนมืดและส่วนที่เราเห็นจะชนกัน เมื่อนั้นสิ่งนี้อาจนำไปสู่ความตายของจักรวาลทั้งหมด อย่างไรก็ตาม หลังจากการเปิดตัว Hadron Collider ครั้งแรก ทฤษฎีนี้ก็พังทลายลงบางส่วน

สิ่งสำคัญรองลงมาคือการระเบิดของจักรวาลหรือการกำเนิด เชื่อกันว่าในระหว่างการชนกัน คุณสามารถสังเกตได้ว่าจักรวาลมีพฤติกรรมอย่างไรในวินาทีแรกของการดำรงอยู่ วิธีดูแลบิ๊กแบงเกิดขึ้น เชื่อกันว่ากระบวนการชนของอนุภาคนั้นคล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้นที่จุดเริ่มต้นของจักรวาลมาก

แนวคิดที่ยอดเยี่ยมไม่แพ้กันอีกประการหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์กำลังทดสอบก็คือแบบจำลองที่แปลกใหม่ ดูเหมือนจะเหลือเชื่อ แต่มีทฤษฎีที่เสนอว่ายังมีมิติและจักรวาลอื่นๆ อีกหลายมิติที่มีคนคล้ายกับเรา และที่น่าแปลกก็คือคันเร่งก็สามารถช่วยได้เช่นกัน

พูดง่ายๆ ก็คือ จุดประสงค์ของเครื่องเร่งความเร็วคือการทำความเข้าใจว่าจักรวาลคืออะไร ถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร และเพื่อพิสูจน์หรือหักล้างทฤษฎีที่มีอยู่ทั้งหมดเกี่ยวกับอนุภาคและปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง แน่นอนว่าอาจต้องใช้เวลาหลายปี แต่เมื่อเปิดตัวแต่ละครั้ง ก็มีการค้นพบใหม่ๆ ที่ปฏิวัติโลกแห่งวิทยาศาสตร์เกิดขึ้น

ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับคันเร่ง

ทุกคนรู้ดีว่าเครื่องเร่งความเร็วเร่งอนุภาคเป็น 99% ของความเร็วแสง แต่มีน้อยคนที่รู้ว่าเปอร์เซ็นต์คือ 99.9999991% ของความเร็วแสง รูปร่างที่น่าทึ่งนี้สมเหตุสมผลด้วยการออกแบบที่สมบูรณ์แบบและแม่เหล็กเร่งความเร็วอันทรงพลัง นอกจากนี้ยังมีข้อเท็จจริงที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักที่ควรทราบอีกด้วย

สตรีมข้อมูลประมาณ 100 ล้านรายการที่มาจากเครื่องตรวจจับหลักทั้งสองเครื่องสามารถบรรจุซีดีรอมได้มากกว่า 100,000 แผ่นในเวลาไม่กี่วินาที ในเวลาเพียงหนึ่งเดือน จำนวนจานจะสูงจนถ้าซ้อนกันก็เพียงพอที่จะไปถึงดวงจันทร์ได้ ดังนั้นจึงตัดสินใจที่จะรวบรวมข้อมูลไม่ใช่ทั้งหมดที่มาจากเครื่องตรวจจับ แต่เฉพาะข้อมูลที่ระบบรวบรวมข้อมูลจะอนุญาตให้ใช้ซึ่งอันที่จริงแล้วทำหน้าที่เป็นตัวกรองสำหรับข้อมูลที่ได้รับ มีการตัดสินใจที่จะบันทึกเหตุการณ์เพียง 100 เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในขณะที่เกิดการระเบิด เหตุการณ์เหล่านี้จะถูกบันทึกไว้ในเอกสารสำคัญของศูนย์คอมพิวเตอร์ Large Hadron Collider ซึ่งตั้งอยู่ในห้องทดลองฟิสิกส์อนุภาคแห่งยุโรป ซึ่งเป็นที่ตั้งของเครื่องเร่งเช่นกัน สิ่งที่จะถูกบันทึกจะไม่ใช่เหตุการณ์ที่ถูกบันทึกไว้ แต่เป็นเหตุการณ์ที่เป็นที่สนใจสูงสุดของชุมชนวิทยาศาสตร์

หลังการประมวลผล

เมื่อบันทึกแล้ว ข้อมูลหลายร้อยกิโลไบต์จะถูกประมวลผล เพื่อจุดประสงค์นี้ มีการใช้คอมพิวเตอร์มากกว่าสองพันเครื่องที่ CERN หน้าที่ของคอมพิวเตอร์เหล่านี้คือการประมวลผลข้อมูลหลักและสร้างฐานข้อมูลจากนั้นซึ่งจะสะดวกสำหรับการวิเคราะห์ต่อไป ถัดไป กระแสข้อมูลที่สร้างขึ้นจะถูกส่งไปยังเครือข่ายคอมพิวเตอร์ GRID เครือข่ายอินเทอร์เน็ตนี้รวบรวมคอมพิวเตอร์หลายพันเครื่องที่ตั้งอยู่ในสถาบันต่างๆ ทั่วโลกและเชื่อมต่อศูนย์ขนาดใหญ่กว่าร้อยแห่งที่ตั้งอยู่ในสามทวีป ศูนย์ดังกล่าวทั้งหมดเชื่อมต่อกับ CERN โดยใช้ใยแก้วนำแสงเพื่อความเร็วการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด

เมื่อพูดถึงข้อเท็จจริง เราต้องพูดถึงตัวบ่งชี้ทางกายภาพของโครงสร้างด้วย อุโมงค์คันเร่งเบี่ยงเบนไป 1.4% จากระนาบแนวนอน โดยหลักแล้วจะทำเพื่อวางอุโมงค์คันเร่งส่วนใหญ่ไว้ในหินเสาหิน ดังนั้นความลึกของตำแหน่งที่อยู่ฝั่งตรงข้ามจึงแตกต่างกัน หากนับจากริมทะเลสาบซึ่งอยู่ใกล้เมืองเจนีวา ความลึกจะอยู่ที่ 50 เมตร ส่วนฝั่งตรงข้ามมีความลึก 175 เมตร

สิ่งที่น่าสนใจคือข้างขึ้นข้างแรมส่งผลต่อคันเร่ง ดูเหมือนว่าวัตถุที่อยู่ไกลขนาดนั้นจะมีอิทธิพลในระยะไกลขนาดนั้นได้อย่างไร อย่างไรก็ตาม สังเกตได้ว่าในช่วงพระจันทร์เต็มดวงเมื่อน้ำขึ้น พื้นดินในบริเวณเจนีวาจะสูงขึ้นมากถึง 25 เซนติเมตร สิ่งนี้ส่งผลต่อความยาวของชนกัน ความยาวจะเพิ่มขึ้น 1 มิลลิเมตร และพลังงานลำแสงก็เปลี่ยนไป 0.02% เช่นกัน เนื่องจากต้องควบคุมพลังงานลำแสงให้เหลือ 0.002% นักวิจัยจึงต้องคำนึงถึงปรากฏการณ์นี้ด้วย

สิ่งที่น่าสนใจคืออุโมงค์ชนกันนั้นมีรูปทรงแปดเหลี่ยม ไม่ใช่วงกลมอย่างที่หลายๆ คนจินตนาการ มุมถูกสร้างขึ้นโดยส่วนสั้น ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับที่ติดตั้งไว้ เช่นเดียวกับระบบควบคุมลำแสงอนุภาคเร่ง

โครงสร้าง

Hadron Collider ซึ่งการเปิดตัวเกี่ยวข้องกับหลายส่วนและสร้างความตื่นเต้นให้กับนักวิทยาศาสตร์ ถือเป็นอุปกรณ์ที่น่าทึ่ง คันเร่งทั้งหมดประกอบด้วยวงแหวนสองวง วงแหวนเล็กๆ เรียกว่า โปรตอน ซินโครตรอน หรือใช้ตัวย่อ PS วงแหวนใหญ่คือซูเปอร์โปรตอนซินโครตรอนหรือ SPS วงแหวนทั้งสองเมื่อรวมกันช่วยให้ชิ้นส่วนเร่งความเร็วได้ถึง 99.9% ของความเร็วแสง ในเวลาเดียวกัน เครื่องชนกันยังเพิ่มพลังงานของโปรตอน ทำให้พลังงานรวมเพิ่มขึ้น 16 เท่า นอกจากนี้ยังช่วยให้อนุภาคชนกันประมาณ 30 ล้านครั้ง/วินาที ภายใน 10 ชั่วโมง จากเครื่องตรวจจับหลัก 4 ตัว จะได้รับข้อมูลดิจิทัลอย่างน้อย 100 เทราไบต์ต่อวินาที การได้รับข้อมูลจะขึ้นอยู่กับปัจจัยส่วนบุคคล ตัวอย่างเช่น พวกเขาสามารถตรวจจับอนุภาคมูลฐานที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบและมีการหมุนครึ่งหนึ่งด้วย เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้ไม่เสถียร การตรวจจับโดยตรงจึงเป็นไปไม่ได้ จึงทำได้เพียงตรวจจับพลังงานเท่านั้น ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาที่มุมหนึ่งไปยังแกนลำแสง ระยะนี้เรียกว่าระดับการเปิดตัวครั้งแรก ขั้นตอนนี้ได้รับการตรวจสอบโดยบอร์ดประมวลผลข้อมูลพิเศษมากกว่า 100 บอร์ด ซึ่งมีตรรกะการใช้งานในตัว งานส่วนนี้มีลักษณะเฉพาะคือในช่วงระยะเวลาของการรวบรวมข้อมูลมีการเลือกบล็อกข้อมูลมากกว่า 100,000 บล็อกต่อวินาที ข้อมูลนี้จะนำไปใช้ในการวิเคราะห์ซึ่งเกิดขึ้นโดยใช้กลไกระดับที่สูงกว่า

ในทางกลับกัน ระบบในระดับถัดไปจะได้รับข้อมูลจากเธรดตัวตรวจจับทั้งหมด ซอฟต์แวร์ตัวตรวจจับทำงานบนเครือข่าย ที่นั่นจะใช้คอมพิวเตอร์จำนวนมากในการประมวลผลบล็อกข้อมูลที่ตามมา เวลาเฉลี่ยระหว่างบล็อกคือ 10 ไมโครวินาที โปรแกรมจะต้องสร้างเครื่องหมายอนุภาคให้สอดคล้องกับจุดเดิม ผลลัพธ์จะเป็นชุดข้อมูลที่ประกอบด้วยแรงกระตุ้น พลังงาน วิถี และอื่นๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างเหตุการณ์หนึ่ง

อะไหล่คันเร่ง

ตัวเร่งความเร็วทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็น 5 ส่วนหลัก:

1) เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน-โพซิตรอน ชิ้นส่วนประกอบด้วยแม่เหล็กประมาณ 7,000 ชิ้นที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา ลำแสงจึงพุ่งผ่านอุโมงค์ทรงกลม พวกเขายังรวมลำแสงไว้ในสตรีมเดียวซึ่งความกว้างจะลดลงเหลือความกว้างของเส้นผมหนึ่งเส้น

2) โซลินอยด์มิวออนขนาดกะทัดรัด นี่คือเครื่องตรวจจับวัตถุประสงค์ทั่วไป เครื่องตรวจจับดังกล่าวใช้เพื่อค้นหาปรากฏการณ์ใหม่ๆ และตัวอย่างเช่น เพื่อค้นหาอนุภาคฮิกส์

3) เครื่องตรวจจับ LHCb ความสำคัญของอุปกรณ์นี้คือการค้นหาควาร์กและอนุภาคตรงข้าม - แอนติควาร์ก

4) ATLAS การติดตั้ง Toroidal เครื่องตรวจจับนี้ออกแบบมาเพื่อตรวจจับมิวออน

5) อลิซ อุปกรณ์ตรวจจับนี้จะจับการชนกันของไอออนตะกั่วและการชนกันของโปรตอน-โปรตอน

ปัญหาเมื่อเปิดตัว Hadron Collider

แม้ว่าการมีอยู่ของเทคโนโลยีชั้นสูงจะช่วยลดโอกาสที่จะเกิดข้อผิดพลาด แต่ในทางปฏิบัติทุกอย่างก็แตกต่างกัน ในระหว่างการประกอบคันเร่งเกิดความล่าช้าและความล้มเหลว ก็ต้องบอกว่าสถานการณ์นี้ไม่ใช่เรื่องที่คาดไม่ถึง อุปกรณ์นี้มีความแตกต่างมากมายและต้องการความแม่นยำจนนักวิทยาศาสตร์คาดหวังผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น ปัญหาหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์เผชิญระหว่างการปล่อยจรวดคือความล้มเหลวของแม่เหล็กที่โฟกัสลำแสงโปรตอนทันทีก่อนที่จะชนกัน อุบัติเหตุร้ายแรงนี้เกิดจากการทำลายส่วนหนึ่งของตัวยึดเนื่องจากการสูญเสียความเป็นตัวนำยิ่งยวดโดยแม่เหล็ก

ปัญหานี้เกิดขึ้นในปี 2550 ด้วยเหตุนี้การเปิดตัว Collider จึงถูกเลื่อนออกไปหลายครั้ง และในเดือนมิถุนายนเท่านั้นที่มีการเปิดตัว Collider

การเปิดตัวคอลไลเดอร์ครั้งล่าสุดประสบความสำเร็จ โดยรวบรวมข้อมูลได้หลายเทราไบต์

Hadron Collider ซึ่งเปิดตัวเมื่อวันที่ 5 เมษายน 2558 ปฏิบัติการได้สำเร็จ ตลอดระยะเวลาหนึ่งเดือน ลำแสงจะถูกขับไปรอบๆ วงแหวน และค่อยๆ เพิ่มพลังของมัน ไม่มีจุดมุ่งหมายในการศึกษาเช่นนี้ พลังงานการชนกันของลำแสงจะเพิ่มขึ้น ค่าจะเพิ่มขึ้นจาก 7 TeV เป็น 13 TeV การเพิ่มขึ้นดังกล่าวจะทำให้เราเห็นความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในการชนกันของอนุภาค

ในปี 2556 และ 2557 มีการตรวจสอบทางเทคนิคอย่างจริงจังของอุโมงค์ เครื่องเร่งความเร็ว อุปกรณ์ตรวจจับ และอุปกรณ์อื่นๆ ผลลัพธ์ที่ได้คือแม่เหล็กสองขั้ว 18 อันที่มีฟังก์ชันตัวนำยิ่งยวด ควรสังเกตว่าจำนวนทั้งหมดคือ 1,232 ชิ้น อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กที่เหลือไม่ได้ถูกมองข้ามไป ส่วนที่เหลือมีการเปลี่ยนระบบป้องกันความเย็นและติดตั้งระบบป้องกันความเย็นที่ดีขึ้น ระบบระบายความร้อนแบบแม่เหล็กยังได้รับการปรับปรุงอีกด้วย ช่วยให้สามารถคงอยู่ที่อุณหภูมิต่ำได้ด้วยกำลังสูงสุด

หากทุกอย่างเป็นไปด้วยดี การเปิดตัวคันเร่งครั้งต่อไปจะเกิดขึ้นภายในสามปีเท่านั้น หลังจากช่วงเวลานี้ มีการวางแผนงานที่วางแผนไว้เพื่อปรับปรุงและตรวจสอบทางเทคนิคของเครื่องชนกัน

ควรสังเกตว่าการซ่อมแซมมีค่าใช้จ่ายค่อนข้างแพงไม่คำนึงถึงต้นทุน Hadron Collider ในปี 2010 มีราคาอยู่ที่ 7.5 พันล้านยูโร ตัวเลขนี้ทำให้โครงการทั้งหมดอยู่ในอันดับแรกในรายการโครงการที่แพงที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์

วลี “Large Hadron Collider” ฝังแน่นอยู่ในสื่อจนผู้คนจำนวนมากรู้เกี่ยวกับสถานที่จัดวางนี้ รวมถึงกิจกรรมที่ไม่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน หรือกับวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปเลย

อันที่จริงสื่อไม่สามารถเพิกเฉยต่อโครงการขนาดใหญ่และมีราคาแพงเช่นนี้ได้ - การติดตั้งวงแหวนยาวเกือบ 27 กิโลเมตรซึ่งมีค่าใช้จ่ายหลายหมื่นล้านดอลลาร์ซึ่งนักวิทยาศาสตร์หลายพันคนจากทั่วทุกมุมโลกทำงาน การมีส่วนร่วมสำคัญต่อความนิยมของคอลไลเดอร์นั้นเกิดจากสิ่งที่เรียกว่า "อนุภาคพระเจ้า" หรือฮิกส์โบซอน ซึ่งได้รับการโฆษณาสำเร็จและปีเตอร์ ฮิกส์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2556

ประการแรก ควรสังเกตว่า Large Hadron Collider ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นตั้งแต่เริ่มต้น แต่เกิดขึ้นบนที่ตั้งของ Large Electron-Positron Collider (LEP) รุ่นก่อน การก่อสร้างอุโมงค์ความยาว 27 กิโลเมตรนี้เริ่มต้นขึ้นในปี 1983 ซึ่งต่อมามีการวางแผนเพื่อค้นหาเครื่องเร่งความเร็วที่จะชนอิเล็กตรอนและโพซิตรอน ในปี 1988 อุโมงค์วงแหวนปิดลง และคนงานก็เข้าใกล้อุโมงค์อย่างระมัดระวัง โดยที่ปลายทั้งสองของอุโมงค์ต่างกันเพียง 1 เซนติเมตร

เครื่องเร่งความเร็วทำงานจนถึงสิ้นปี พ.ศ. 2543 เมื่อถึงระดับพลังงานสูงสุดที่ 209 GeV หลังจากนั้นก็เริ่มรื้อถอน ตลอดระยะเวลา 11 ปีของการดำเนินงาน LEP ได้นำการค้นพบมากมายมาสู่ฟิสิกส์ รวมถึงการค้นพบโบซอน W และ Z และการวิจัยเพิ่มเติม จากผลการศึกษาเหล่านี้ สรุปได้ว่ากลไกของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาแบบอ่อนมีความคล้ายคลึงกัน ซึ่งเป็นผลมาจากงานทางทฤษฎีที่เริ่มต้นในการรวมปฏิกิริยาเหล่านี้เข้ากับอิเล็กโทรอ่อนแอ

ในปี พ.ศ. 2544 การก่อสร้างเครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่เริ่มต้นขึ้นที่บริเวณเครื่องเร่งอิเล็กตรอน-โพซิตรอน การก่อสร้างคันเร่งใหม่แล้วเสร็จเมื่อปลายปี พ.ศ. 2550 ตั้งอยู่ที่ไซต์ LEP บนชายแดนระหว่างฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ในหุบเขาทะเลสาบเจนีวา (15 กม. จากเจนีวา) ที่ระดับความลึกหนึ่งร้อยเมตร ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2551 การทดสอบเครื่องชนกันเริ่มขึ้น และในวันที่ 10 กันยายน มีการเปิดตัว LHC อย่างเป็นทางการ เช่นเดียวกับเครื่องเร่งความเร็วรุ่นก่อน การก่อสร้างและการดำเนินงานของโรงงานนี้อยู่ภายใต้การนำขององค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN)

เซิร์น

เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงโดยย่อเกี่ยวกับองค์กรของ CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) องค์กรนี้ทำหน้าที่เป็นห้องปฏิบัติการที่ใหญ่ที่สุดในโลกในด้านฟิสิกส์พลังงานสูง ประกอบด้วยพนักงานประจำสามพันคน และนักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์อีกหลายพันคนจาก 80 ประเทศเข้าร่วมในโครงการของ CERN

ขณะนี้มี 22 ประเทศที่เข้าร่วมโครงการ ได้แก่ เบลเยียม เดนมาร์ก ฝรั่งเศส เยอรมนี กรีซ อิตาลี เนเธอร์แลนด์ นอร์เวย์ สวีเดน สวิตเซอร์แลนด์ บริเตนใหญ่ - ผู้ก่อตั้ง ออสเตรีย สเปน โปรตุเกส ฟินแลนด์ โปแลนด์ ฮังการี , สาธารณรัฐเช็ก, สโลวาเกีย, บัลแกเรีย และโรมาเนีย - ลงนามเป็นภาคี อย่างไรก็ตามดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น มีอีกหลายสิบประเทศที่มีส่วนร่วมในงานขององค์กรไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง และโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ Large Hadron Collider

Large Hadron Collider ทำงานอย่างไร

Large Hadron Collider คืออะไรและทำงานอย่างไรเป็นคำถามหลักที่เป็นประโยชน์ต่อสาธารณะ ลองดูคำถามเหล่านี้เพิ่มเติม

Collider - แปลจากภาษาอังกฤษแปลว่า "ผู้ที่ชนกัน" วัตถุประสงค์ของการตั้งค่าดังกล่าวคือการชนกันของอนุภาค ในกรณีของแฮดรอนคอลไลเดอร์ อนุภาคจะถูกเล่นโดยฮาดรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรง เหล่านี้คือโปรตอน

การได้รับโปรตอน

การเดินทางอันยาวนานของโปรตอนมีต้นกำเนิดในดูโอพลาสมาตรอนซึ่งเป็นระยะแรกของเครื่องเร่งความเร็วซึ่งรับไฮโดรเจนในรูปของก๊าซ ดูโอพลาสมาตรอนเป็นห้องจำหน่ายซึ่งมีการปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านก๊าซ ดังนั้นไฮโดรเจนซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวและโปรตอนเพียงตัวเดียวจึงสูญเสียอิเล็กตรอนไป ด้วยวิธีนี้พลาสมาจะเกิดขึ้น - สารที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ - โปรตอน แน่นอนว่าเป็นเรื่องยากที่จะได้รับโปรตอนพลาสมาบริสุทธิ์ ดังนั้นพลาสมาที่ได้ซึ่งรวมถึงกลุ่มเมฆของโมเลกุลไอออนและอิเล็กตรอนจึงถูกกรองเพื่อแยกเมฆโปรตอนออกจากกัน ภายใต้อิทธิพลของแม่เหล็ก โปรตอนพลาสมาถูกกระแทกเข้าไปในลำแสง

ความเร่งเบื้องต้นของอนุภาค

ลำแสงโปรตอนที่สร้างขึ้นใหม่เริ่มต้นการเดินทางในเครื่องเร่งเชิงเส้น LINAC 2 ซึ่งเป็นวงแหวนยาว 30 เมตรแขวนตามลำดับโดยมีอิเล็กโทรด (ตัวนำ) ทรงกระบอกกลวงหลายอัน สนามไฟฟ้าสถิตที่สร้างขึ้นภายในเครื่องเร่งความเร็วจะถูกจัดระดับในลักษณะที่อนุภาคระหว่างกระบอกสูบกลวงจะได้รับแรงเร่งในทิศทางของอิเล็กโทรดถัดไปเสมอ โดยไม่ต้องเจาะลึกกลไกการเร่งความเร็วของโปรตอนในขั้นตอนนี้เลย เราทราบเพียงว่าที่เอาต์พุตจาก LINAC 2 นักฟิสิกส์จะได้รับลำแสงโปรตอนที่มีพลังงาน 50 MeV ซึ่งถึง 31% ของความเร็วแสงแล้ว เป็นที่น่าสังเกตว่าในกรณีนี้มวลของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น 5%

ภายในปี 2562-2563 มีการวางแผนที่จะแทนที่ LINAC 2 ด้วย LINAC 4 ซึ่งจะเร่งโปรตอนเป็น 160 MeV

เป็นที่น่าสังเกตว่าตัวชนยังเร่งไอออนของตะกั่วด้วยซึ่งจะทำให้สามารถศึกษาพลาสมาควาร์ก - กลูออนได้ พวกมันถูกเร่งความเร็วในวงแหวน LINAC 3 ซึ่งคล้ายกับ LINAC 2 ในอนาคตก็มีการวางแผนการทดลองกับอาร์กอนและซีนอนด้วย

ถัดไป แพ็กเก็ตโปรตอนจะเข้าสู่โปรตอนซิงโครนัสบูสเตอร์ (PSB) ประกอบด้วยวงแหวนซ้อนทับสี่วงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 เมตรซึ่งมีตัวสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่พวกเขาสร้างขึ้นมีความเข้มสูงและอนุภาคที่ผ่านไปจะได้รับการเร่งความเร็วอันเป็นผลมาจากความต่างศักย์ของสนาม ดังนั้น หลังจากเวลาเพียง 1.2 วินาที อนุภาคจะถูกเร่งใน PSB เป็น 91% ของความเร็วแสงและมีพลังงาน 1.4 GeV หลังจากนั้นอนุภาคจะเข้าสู่โปรตอนซินโครตรอน (PS) PS มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 628 เมตร และติดตั้งแม่เหล็ก 27 ชิ้นที่ควบคุมลำอนุภาคในวงโคจรเป็นวงกลม ที่นี่อนุภาคโปรตอนถึง 26 GeV

วงแหวนสุดท้ายสำหรับการเร่งโปรตอนคือ Super Proton Synchrotron (SPS) ซึ่งมีเส้นรอบวงถึง 7 กิโลเมตร SPS ติดตั้งด้วยแม่เหล็ก 1317 ชิ้น เร่งอนุภาคให้มีพลังงาน 450 GeV หลังจากนั้นประมาณ 20 นาที ลำแสงโปรตอนจะเข้าสู่วงแหวนหลัก - Large Hadron Collider (LHC)

ความเร่งและการชนกันของอนุภาคใน LHC

การเปลี่ยนผ่านระหว่างวงแหวนคันเร่งเกิดขึ้นผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กอันทรงพลัง วงแหวนหลักของคอลไลเดอร์ประกอบด้วยเส้นคู่ขนานสองเส้นซึ่งอนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงกลมในทิศทางตรงกันข้าม แม่เหล็กประมาณ 10,000 ชิ้นมีหน้าที่รักษาวิถีการเคลื่อนที่เป็นวงกลมของอนุภาคและนำพวกมันไปยังจุดที่ชนกัน ซึ่งบางอันมีน้ำหนักมากถึง 27 ตัน เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แม่เหล็กร้อนเกินไปจึงใช้วงจรฮีเลียม-4 ซึ่งสารประมาณ 96 ตันไหลที่อุณหภูมิ -271.25 ° C (1.9 K) โปรตอนมีพลังงาน 6.5 TeV (นั่นคือพลังงานการชนคือ 13 TeV) ในขณะที่ความเร็วของพวกมันน้อยกว่าความเร็วแสง 11 กม./ชม. ดังนั้นในไม่กี่วินาที ลำแสงโปรตอนจึงผ่านวงแหวนขนาดใหญ่ของคอลไลเดอร์ 11,000 ครั้ง ก่อนที่อนุภาคจะชนกัน พวกมันจะหมุนวนรอบวงแหวนเป็นเวลา 5 ถึง 24 ชั่วโมง

การชนกันของอนุภาคเกิดขึ้นที่สี่จุดในวงแหวน LHC หลัก ซึ่งมีเครื่องตรวจจับสี่ตัวตั้งอยู่: ATLAS, CMS, ALICE และ LHCb

เครื่องตรวจจับแฮดรอนคอลไลเดอร์ขนาดใหญ่

ATLAS (อุปกรณ์ LHC แบบ Toroidal)

— เป็นหนึ่งในสองเครื่องตรวจจับวัตถุประสงค์ทั่วไปที่ Large Hadron Collider (LHC) เขาสำรวจฟิสิกส์หลายประเภท ตั้งแต่การค้นหาฮิกส์โบซอนไปจนถึงอนุภาคที่อาจประกอบเป็นสสารมืด แม้ว่าจะมีเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์เหมือนกับการทดลอง CMS แต่ ATLAS ก็ใช้วิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคที่แตกต่างกันและการออกแบบระบบแม่เหล็กที่แตกต่างกัน

ลำแสงอนุภาคจาก LHC ชนกันที่ศูนย์กลางของเครื่องตรวจจับ ATLAS ทำให้เกิดเศษซากที่พุ่งเข้ามาในรูปของอนุภาคใหม่ที่บินออกจากจุดชนไปทุกทิศทาง ระบบย่อยการตรวจจับที่แตกต่างกันหกระบบ ซึ่งจัดเรียงเป็นชั้นๆ รอบจุดที่เกิดการกระแทก บันทึกเส้นทาง โมเมนตัม และพลังงานของอนุภาค ทำให้สามารถระบุอนุภาคเหล่านั้นแยกกันได้ ระบบแม่เหล็กขนาดใหญ่โค้งงอเส้นทางของอนุภาคที่มีประจุเพื่อให้สามารถวัดแรงกระตุ้นได้

การโต้ตอบในเครื่องตรวจจับ ATLAS ทำให้เกิดกระแสข้อมูลจำนวนมหาศาล ในการประมวลผลข้อมูลนี้ ATLAS จะใช้ระบบ "ทริกเกอร์" ขั้นสูงเพื่อบอกเครื่องมือตรวจจับว่าเหตุการณ์ใดที่ควรบันทึกและเหตุการณ์ใดที่ควรเพิกเฉย จากนั้นจะใช้ระบบการเก็บข้อมูลและการคำนวณที่ซับซ้อนเพื่อวิเคราะห์เหตุการณ์การชนกันที่บันทึกไว้

เครื่องตรวจจับมีความสูง 46 เมตร กว้าง 25 เมตร และมีมวล 7,000 ตัน พารามิเตอร์เหล่านี้ทำให้ ATLAS เป็นเครื่องตรวจจับอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา ตั้งอยู่ในอุโมงค์ที่ระดับความลึก 100 เมตร ใกล้กับสถานที่หลักของ CERN ใกล้หมู่บ้าน Meyrin ในสวิตเซอร์แลนด์ การติดตั้งประกอบด้วย 4 องค์ประกอบหลัก:

• เครื่องตรวจจับด้านในมีรูปทรงกระบอก วงแหวนด้านในอยู่ห่างจากแกนของลำแสงอนุภาคที่ผ่านเพียงไม่กี่เซนติเมตร และวงแหวนด้านนอกมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.1 เมตรและยาว 6.2 เมตร ประกอบด้วยระบบเซ็นเซอร์สามระบบที่ฝังอยู่ในสนามแม่เหล็ก เครื่องตรวจจับภายในจะวัดทิศทาง โมเมนตัม และประจุของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เกิดจากการชนกันของโปรตอน-โปรตอนแต่ละครั้ง องค์ประกอบหลักของเครื่องตรวจจับภายในได้แก่: เครื่องตรวจจับพิกเซล ตัวติดตามสารกึ่งตัวนำ (SCT) และเครื่องติดตามรังสีทรานซิชัน (TRT)

• เครื่องวัดความร้อนจะวัดพลังงานที่อนุภาคสูญเสียไปเมื่อผ่านเครื่องตรวจจับ มันดูดซับอนุภาคที่เกิดจากการชนและบันทึกพลังงานของมัน เครื่องวัดปริมาณความร้อนประกอบด้วยชั้นของวัสดุ “ดูดซับ” ความหนาแน่นสูง—ตะกั่ว—สลับกับชั้นของ “ตัวกลางที่ใช้งาน”—อาร์กอนของเหลว เครื่องวัดความร้อนแม่เหล็กไฟฟ้าจะวัดพลังงานของอิเล็กตรอนและโฟตอนเมื่อมีปฏิกิริยากับสสาร เครื่องวัดความร้อนของแฮดรอนจะวัดพลังงานของฮาดรอนเมื่อมีปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอม เครื่องวัดความร้อนสามารถหยุดอนุภาคที่รู้จักส่วนใหญ่ได้ ยกเว้นมิวออนและนิวตริโน

LAr (เครื่องวัดความร้อนอาร์กอนเหลว) - เครื่องวัดความร้อน ATLAS

• Muon Spectrometer ประกอบด้วยห้องมิวออน 4,000 ห้องที่ใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกันสี่แบบเพื่อระบุมิวออนและวัดโมเมนตัมของพวกมัน โดยทั่วไปมิวออนจะผ่านตัวตรวจจับภายในและแคลอริมิเตอร์ ซึ่งต้องใช้มิวออนสเปกโตรมิเตอร์

• ระบบแม่เหล็กของ ATLAS โค้งงออนุภาครอบๆ ระบบเครื่องตรวจจับในชั้นต่างๆ ทำให้ติดตามรางอนุภาคได้ง่ายขึ้น

การทดลอง ATLAS (กุมภาพันธ์ 2555) เกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 3,000 คนจาก 174 สถาบันใน 38 ประเทศ

CMS (โซลินอยด์มิวออนขนาดกะทัดรัด)

— เป็นเครื่องตรวจจับวัตถุประสงค์ทั่วไปที่ Large Hadron Collider (LHC) เช่นเดียวกับ ATLAS มีโปรแกรมฟิสิกส์ที่กว้างขวาง ตั้งแต่การศึกษาแบบจำลองมาตรฐาน (รวมถึงฮิกส์โบซอน) ไปจนถึงการค้นหาอนุภาคที่อาจประกอบเป็นสสารมืด แม้ว่าจะมีเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์เหมือนกับการทดลอง ATLAS แต่ CMS ก็ใช้วิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคที่แตกต่างกันและการออกแบบระบบแม่เหล็กที่แตกต่างกัน

เครื่องตรวจจับ CMS สร้างขึ้นโดยมีแม่เหล็กโซลินอยด์ขนาดใหญ่ เป็นขดลวดตัวนำยิ่งยวดทรงกระบอกที่สร้างสนามแม่เหล็ก 4 เทสลา หรือประมาณ 100,000 เท่าของสนามแม่เหล็กโลก สนามนี้ถูกจำกัดด้วย "แอก" เหล็ก ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่ใหญ่ที่สุดของเครื่องตรวจจับ ซึ่งมีน้ำหนัก 14,000 ตัน เครื่องตรวจจับที่สมบูรณ์มีความยาว 21 ม. กว้าง 15 ม. และสูง 15 ม. การติดตั้งประกอบด้วย 4 องค์ประกอบหลัก:

• แม่เหล็กโซลินอยด์เป็นแม่เหล็กที่ใหญ่ที่สุดในโลกและทำหน้าที่โค้งงอวิถีของอนุภาคมีประจุที่ปล่อยออกมาจากจุดที่กระแทก การบิดเบี้ยวของวิถีทำให้สามารถแยกแยะระหว่างอนุภาคที่มีประจุบวกและประจุลบได้ (เนื่องจากพวกมันโค้งงอไปในทิศทางตรงกันข้าม) รวมถึงการวัดโมเมนตัม ซึ่งขนาดจะขึ้นอยู่กับความโค้งของวิถี โซลินอยด์ขนาดใหญ่ทำให้สามารถวางตัวติดตามและแคลอรีมิเตอร์ภายในขดลวดได้
• Silicon Tracker - ประกอบด้วยเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ 75 ล้านตัวที่จัดเรียงในชั้นที่มีศูนย์กลางร่วมกัน เมื่ออนุภาคมีประจุบินผ่านชั้นต่างๆ ของตัวติดตาม มันจะถ่ายโอนพลังงานส่วนหนึ่งไปยังแต่ละชั้น การรวมจุดชนกันของอนุภาคเข้ากับชั้นต่างๆ ช่วยให้เราสามารถกำหนดวิถีของมันเพิ่มเติมได้
• เครื่องวัดความร้อน - อิเล็กทรอนิกส์และฮาโดรนิก ดูเครื่องวัดความร้อน ATLAS
• เครื่องตรวจจับย่อย - ช่วยให้คุณตรวจจับมิวออน พวกมันแสดงด้วยห้องมิวออน 1,400 ห้อง ซึ่งตั้งอยู่ในชั้นนอกขดลวด สลับกับแผ่นโลหะของ "แอก"

การทดลอง CMS เป็นหนึ่งในการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ โดยมีผู้เข้าร่วม 4,300 คน ได้แก่ นักฟิสิกส์อนุภาค วิศวกรและช่างเทคนิค นักศึกษา และเจ้าหน้าที่สนับสนุนจากสถาบัน 182 แห่งใน 42 ประเทศ (กุมภาพันธ์ 2014)

ALICE (การทดลองเครื่องชนไอออนขนาดใหญ่)

— เป็นเครื่องตรวจจับไอออนหนักบนวงแหวนของ Large Hadron Collider (LHC) ได้รับการออกแบบมาเพื่อศึกษาฟิสิกส์ของสสารที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรงที่ความหนาแน่นพลังงานสูงมาก โดยจะเกิดเฟสของสสารที่เรียกว่าพลาสมาควาร์ก-กลูออน

สสารธรรมดาทั้งหมดในจักรวาลปัจจุบันประกอบด้วยอะตอม แต่ละอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสของโปรตอนและนิวตรอน (ยกเว้นไฮโดรเจนซึ่งไม่มีนิวตรอน) ล้อมรอบด้วยเมฆอิเล็กตรอน ในทางกลับกัน โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กที่เกาะติดกับอนุภาคอื่นที่เรียกว่ากลูออน ไม่เคยมีการสังเกตควาร์กแยกจากกัน: ควาร์กและกลูออนดูเหมือนจะเกาะติดกันอย่างถาวรและกักขังอยู่ภายในอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ เช่น โปรตอนและนิวตรอน นี้เรียกว่าการคุมขัง

การชนกันใน LHC ทำให้เกิดอุณหภูมิที่ร้อนกว่าที่ใจกลางดวงอาทิตย์มากกว่า 100,000 เท่า เครื่องชนกันทำให้เกิดการชนกันระหว่างไอออนของตะกั่ว ทำให้เกิดสภาวะที่คล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้นทันทีหลังบิ๊กแบง ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ โปรตอนและนิวตรอนจะ “ละลาย” ทำให้ควาร์กหลุดจากพันธะของพวกมันด้วยกลูออน นี่คือพลาสมาควาร์ก-กลูออน

การทดลอง ALICE ใช้เครื่องตรวจจับ ALICE ซึ่งมีน้ำหนัก 10,000 ตัน ยาว 26 ม. สูง 16 ม. และกว้าง 16 ม. อุปกรณ์ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามชุด: อุปกรณ์ติดตาม เครื่องวัดความร้อน และเครื่องตรวจจับตัวระบุอนุภาค นอกจากนี้ยังแบ่งออกเป็น 18 โมดูล เครื่องตรวจจับตั้งอยู่ในอุโมงค์ที่ความลึก 56 เมตรด้านล่าง ใกล้กับหมู่บ้านแซงต์-เดอนี-ปุยลี ในฝรั่งเศส

การทดลองนี้ประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 1,000 คนจากสถาบันฟิสิกส์มากกว่า 100 แห่งใน 30 ประเทศ

LHCb (การทดลองความงามเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่)

การทดลองนี้จะตรวจสอบความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ ระหว่างสสารและปฏิสสารโดยการศึกษาอนุภาคประเภทที่เรียกว่าควาร์กความงามหรือบีควาร์ก

แทนที่จะใช้เครื่องตรวจจับแบบปิดรอบๆ จุดชนกันทั้งหมด เช่น ATLAS และ CMS การทดลอง LHCb ใช้ชุดเครื่องตรวจจับย่อยเพื่อตรวจจับอนุภาคที่เคลื่อนไปข้างหน้าเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นอนุภาคที่ถูกชี้ไปข้างหน้าโดยการชนกันในทิศทางเดียว เครื่องตรวจจับย่อยตัวแรกได้รับการติดตั้งใกล้กับจุดชนกัน และตัวอื่นๆ จะถูกติดตั้งติดกันที่ระยะ 20 เมตร

LHC สร้างควาร์กประเภทต่างๆ มากมายก่อนที่มันจะสลายไปเป็นรูปแบบอื่นอย่างรวดเร็ว เพื่อจับบีควาร์ก เครื่องตรวจจับการเคลื่อนที่แบบซับซ้อนได้รับการพัฒนาสำหรับ LHCb ซึ่งตั้งอยู่ใกล้การเคลื่อนที่ของลำอนุภาคผ่านเครื่องชนกัน

เครื่องตรวจจับ LHCb ขนาด 5,600 ตันประกอบด้วยสเปกโตรมิเตอร์โดยตรงและเครื่องตรวจจับแบบแผ่นเรียบ มีความยาว 21 เมตร สูง 10 เมตร กว้าง 13 เมตร และตั้งอยู่ใต้ดิน 100 เมตร นักวิทยาศาสตร์ประมาณ 700 คนจากสถาบันและมหาวิทยาลัย 66 แห่งมีส่วนร่วมในการทดลอง LHCb (ตุลาคม 2013)

การทดลองอื่นๆ ที่เครื่องชนกัน

นอกจากการทดลองข้างต้นที่เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่แล้ว ยังมีการทดลองอื่นๆ อีก 2 รายการที่มีการติดตั้ง:

• LHCf (เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ไปข้างหน้า)— ศึกษาอนุภาคที่ถูกโยนไปข้างหน้าหลังจากการชนกันของลำอนุภาค พวกเขาจำลองรังสีคอสมิกซึ่งนักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาเป็นส่วนหนึ่งของการทดลอง รังสีคอสมิกเป็นอนุภาคที่มีประจุเกิดขึ้นตามธรรมชาติจากอวกาศและพุ่งกระหน่ำชั้นบรรยากาศของโลกอย่างต่อเนื่อง พวกมันชนกับนิวเคลียสในชั้นบรรยากาศชั้นบน ทำให้เกิดอนุภาคตกลงมาถึงระดับพื้นดิน การศึกษาว่าการชนกันภายใน LHC ก่อให้เกิดการเรียงซ้อนของอนุภาคอย่างไร จะช่วยให้นักฟิสิกส์ตีความและปรับเทียบการทดลองรังสีคอสมิกขนาดใหญ่ที่สามารถครอบคลุมระยะทางหลายพันกิโลเมตรได้

LHCf ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับ 2 เครื่องซึ่งตั้งอยู่ตามแนว LHC ซึ่งอยู่ห่างจากจุดปะทะ ATLAS ออกไป 140 เมตร เครื่องตรวจจับทั้งสองเครื่องมีน้ำหนักเพียง 40 กิโลกรัม และมีขนาดยาว 30 ซม. สูง 80 ซม. และกว้าง 10 ซม. การทดลอง LHCf เกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์ 30 คนจาก 9 สถาบันใน 5 ประเทศ (พฤศจิกายน 2555)

• TOTEM (ภาพตัดขวางทั้งหมด การกระเจิงแบบยืดหยุ่น และการแยกตัวจากการเลี้ยวเบน)- ทดลองติดตั้งบนคอลไลเดอร์ที่ยาวที่สุด ภารกิจของมันคือการศึกษาโปรตอนด้วยการวัดโปรตอนที่เกิดจากการชนในมุมต่ำอย่างแม่นยำ บริเวณนี้เรียกว่าทิศทาง "ไปข้างหน้า" และไม่สามารถเข้าถึงได้โดยการทดลอง LHC อื่น ๆ เครื่องตรวจจับ TOTEM ขยายออกไปเกือบครึ่งกิโลเมตรรอบจุดโต้ตอบ CMS TOTEM มีอุปกรณ์เกือบ 3,000 กิโลกรัม รวมถึงกล้องโทรทรรศน์นิวเคลียร์ 4 ตัว และเครื่องตรวจจับหม้อแบบโรมัน 26 เครื่อง ประเภทหลังช่วยให้เครื่องตรวจจับอยู่ในตำแหน่งที่ใกล้กับลำแสงอนุภาคมากที่สุด การทดลอง TOTEM ประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์ประมาณ 100 คนจาก 16 สถาบันใน 8 ประเทศ (สิงหาคม 2014)

เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่

การติดตั้งทางวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติที่ใหญ่ที่สุดจะสำรวจปัญหาทางกายภาพที่หลากหลาย:

• การศึกษาควาร์กชั้นนำ อนุภาคนี้ไม่เพียงแต่เป็นควาร์กที่หนักที่สุดเท่านั้น แต่ยังเป็นอนุภาคมูลฐานที่หนักที่สุดด้วย การศึกษาคุณสมบัติของท็อปควาร์กก็สมเหตุสมผลเช่นกันเพราะเป็นเครื่องมือในการวิจัย
• การค้นหาและศึกษาฮิกส์โบซอน แม้ว่า CERN จะอ้างว่า Higgs boson ถูกค้นพบแล้ว (ในปี 2012) แต่ก็ยังมีความรู้น้อยมากเกี่ยวกับธรรมชาติของมัน และการวิจัยเพิ่มเติมอาจทำให้กลไกการทำงานของมันชัดเจนยิ่งขึ้น

• การศึกษาพลาสมาควาร์ก-กลูออน เมื่อนิวเคลียสของตะกั่วชนกันด้วยความเร็วสูง จะก่อตัวขึ้นในตัวชนกัน งานวิจัยของเธอสามารถให้ผลลัพธ์ที่เป็นประโยชน์ทั้งในด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ (ปรับปรุงทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง) และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (ศึกษาจักรวาลในช่วงแรกของการดำรงอยู่)
• ค้นหาสมมาตรยิ่งยวด งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพิสูจน์หักล้างหรือพิสูจน์ “สมมาตรยิ่งยวด” ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ว่าอนุภาคมูลฐานทุกอนุภาคมีหุ้นส่วนที่หนักกว่าเรียกว่า “อนุภาคยิ่งยวด”
• การศึกษาการชนกันของโฟตอน-โฟตอนและโฟตอน-แฮดรอน จะช่วยเพิ่มความเข้าใจในกลไกกระบวนการของการชนดังกล่าว
• การทดสอบทฤษฎีที่แปลกใหม่ งานประเภทนี้รวมถึงงานที่ "แปลกใหม่" ที่แหวกแนวที่สุด เช่น การค้นหาจักรวาลคู่ขนานโดยการสร้างหลุมดำขนาดเล็ก

นอกจากงานเหล่านี้แล้ว ยังมีงานอื่นๆ อีกมากมาย ซึ่งการแก้ปัญหานี้จะช่วยให้มนุษยชาติเข้าใจธรรมชาติและโลกรอบตัวเราได้ดีขึ้น ซึ่งจะเปิดโอกาสในการสร้างสรรค์เทคโนโลยีใหม่ๆ

ประโยชน์เชิงปฏิบัติของ Large Hadron Collider และวิทยาศาสตร์พื้นฐาน

ประการแรก ควรสังเกตว่าการวิจัยขั้นพื้นฐานมีส่วนช่วยในวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน วิทยาศาสตร์ประยุกต์เกี่ยวข้องกับการประยุกต์ความรู้นี้ ส่วนหนึ่งของสังคมที่ไม่ตระหนักถึงประโยชน์ของวิทยาศาสตร์พื้นฐานมักไม่มองว่าการค้นพบฮิกส์โบซอนหรือการสร้างพลาสมาควาร์ก-กลูออนเป็นสิ่งที่สำคัญ ความเชื่อมโยงของการศึกษาดังกล่าวกับชีวิตของบุคคลธรรมดาไม่ชัดเจน ลองดูตัวอย่างสั้นๆ เกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์:

ในปี พ.ศ. 2439 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส อองตวน อองรี เบกเคอเรล ค้นพบปรากฏการณ์ของกัมมันตภาพรังสี เชื่อกันมานานแล้วว่ามนุษยชาติจะไม่เปลี่ยนมาใช้การใช้ทางอุตสาหกรรมในไม่ช้า เพียงห้าปีก่อนการเปิดตัวเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกในประวัติศาสตร์ นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด ผู้ซึ่งค้นพบนิวเคลียสของอะตอมจริงๆ ในปี 1911 กล่าวว่าพลังงานปรมาณูจะไม่มีทางนำไปใช้ได้ ผู้เชี่ยวชาญพยายามคิดใหม่เกี่ยวกับทัศนคติต่อพลังงานที่มีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมในปี 1939 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Lise Meitner และ Otto Hahn ค้นพบนิวเคลียสของยูเรเนียมเมื่อถูกฉายรังสีด้วยนิวตรอนจะแยกออกเป็นสองส่วนปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล - นิวเคลียร์ พลังงาน.

และหลังจากการเชื่อมโยงครั้งสุดท้ายในชุดการวิจัยขั้นพื้นฐานเท่านั้นที่วิทยาศาสตร์ประยุกต์ได้เข้ามามีบทบาท ซึ่งบนพื้นฐานของการค้นพบเหล่านี้ ได้คิดค้นอุปกรณ์สำหรับผลิตพลังงานนิวเคลียร์ - เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู ขนาดของการค้นพบสามารถประเมินได้โดยการดูส่วนแบ่งของไฟฟ้าที่เกิดจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ตัวอย่างเช่นในยูเครน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์คิดเป็น 56% ของการผลิตไฟฟ้า และในฝรั่งเศส - 76%

เทคโนโลยีใหม่ทั้งหมดมีพื้นฐานมาจากความรู้พื้นฐานบางประการ ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างสั้นๆ อีกสองสามตัวอย่าง:

• ในปี 1895 วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกนสังเกตว่าเมื่อสัมผัสกับรังสีเอกซ์ แผ่นภาพถ่ายจะมืดลง ปัจจุบัน การถ่ายภาพรังสีเป็นหนึ่งในการตรวจทางการแพทย์ที่ใช้กันมากที่สุด ช่วยให้สามารถศึกษาสภาพของอวัยวะภายในและตรวจหาการติดเชื้อและอาการบวมได้
• ในปี 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เสนอแนวคิดของเขาเอง ปัจจุบันทฤษฎีนี้ถูกนำมาพิจารณาเมื่อใช้งานดาวเทียม GPS ซึ่งระบุตำแหน่งของวัตถุด้วยความแม่นยำสองสามเมตร GPS ใช้ในการสื่อสารเคลื่อนที่ การทำแผนที่ การติดตามการขนส่ง แต่ส่วนใหญ่ใช้ในการนำทาง ข้อผิดพลาดของดาวเทียมที่ไม่คำนึงถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะเพิ่มขึ้น 10 กิโลเมตรต่อวันนับจากเวลาที่ปล่อย! และถ้าคนเดินถนนสามารถใช้ความคิดและแผนที่กระดาษได้ นักบินสายการบินก็จะพบว่าตัวเองตกอยู่ในสถานการณ์ที่ยากลำบาก เนื่องจากเมฆไม่สามารถนำทางได้

ถ้าทุกวันนี้ยังไม่พบการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติสำหรับการค้นพบที่ LHC เกิดขึ้น นี่ไม่ได้หมายความว่านักวิทยาศาสตร์จะ "แก้ไขเครื่องชนกันโดยเปล่าประโยชน์" ดังที่คุณทราบ คนที่มีเหตุผลมักจะตั้งใจที่จะได้รับการประยุกต์ใช้จริงสูงสุดจากความรู้ที่มีอยู่ ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติที่สะสมอยู่ในกระบวนการวิจัยที่ LHC จะพบการประยุกต์ใช้อย่างแน่นอนไม่ช้าก็เร็ว ดังที่ได้แสดงให้เห็นแล้วข้างต้น ความเชื่อมโยงระหว่างการค้นพบพื้นฐานและเทคโนโลยีที่ใช้สิ่งเหล่านั้นอาจไม่ชัดเจนเลยในบางครั้ง

สุดท้ายนี้ ขอให้เราสังเกตสิ่งที่เรียกว่าการค้นพบทางอ้อม ซึ่งไม่ได้ถูกกำหนดให้เป็นเป้าหมายเริ่มแรกของการศึกษา สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นค่อนข้างบ่อย เนื่องจากการค้นพบขั้นพื้นฐานมักต้องมีการแนะนำและใช้เทคโนโลยีใหม่ ดังนั้นการพัฒนาด้านทัศนศาสตร์จึงได้รับแรงผลักดันจากการวิจัยอวกาศขั้นพื้นฐาน โดยอาศัยการสังเกตการณ์ของนักดาราศาสตร์ผ่านกล้องโทรทรรศน์ ในกรณีของ CERN นี่คือวิธีที่เทคโนโลยีแพร่หลายเกิดขึ้น - อินเทอร์เน็ต ซึ่งเป็นโครงการที่เสนอโดย Tim Berners-Lee ในปี 1989 เพื่ออำนวยความสะดวกในการค้นหาข้อมูลองค์กรของ CERN

เป็นการค้นหาวิธีที่จะรวมทฤษฎีพื้นฐานสองทฤษฎีเข้าด้วยกัน - GTR (เกี่ยวกับทฤษฎีความโน้มถ่วง) และแบบจำลองมาตรฐาน (แบบจำลองมาตรฐานที่รวมปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพพื้นฐานสามประการเข้าด้วยกัน ได้แก่ แม่เหล็กไฟฟ้า แรง และอ่อน) การค้นหาวิธีแก้ปัญหาก่อนการสร้าง LHC ถูกขัดขวางโดยความยากลำบากในการสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม

การสร้างสมมติฐานนี้เกี่ยวข้องกับการรวมทฤษฎีฟิสิกส์สองทฤษฎีเข้าด้วยกัน ได้แก่ กลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ในการทำเช่นนี้มีการใช้แนวทางที่ได้รับความนิยมและทันสมัยหลายประการ - ทฤษฎีสตริง, ทฤษฎีเบรน, ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงยิ่งยวดและทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม ก่อนการสร้างเครื่องชนกัน ปัญหาหลักในการทำการทดลองที่จำเป็นคือการขาดพลังงาน ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ที่มีประจุอื่น ๆ

Geneva LHC เปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ทำการทดลองที่เป็นไปไม่ได้ก่อนหน้านี้ เชื่อกันว่าในอนาคตอันใกล้นี้ทฤษฎีทางกายภาพจำนวนมากจะได้รับการยืนยันหรือหักล้างโดยใช้เครื่องมือนี้ หนึ่งในปัญหามากที่สุดคือทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดหรือทฤษฎีสตริง ซึ่งแบ่งฟิสิกส์ออกเป็นสองค่ายมายาวนาน - "สตริงเกอร์" และคู่แข่ง

การทดลองพื้นฐานอื่นๆ ดำเนินการโดยเป็นส่วนหนึ่งของงาน LHC

การวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ในสาขาการศึกษา top- ซึ่งเป็นควาร์กที่หนักที่สุดและหนักที่สุด (173.1 ± 1.3 GeV/c²) ของอนุภาคมูลฐานทั้งหมดที่รู้จักในปัจจุบัน ก็น่าสนใจเช่นกัน

เนื่องจากคุณสมบัตินี้ ก่อนที่จะมีการสร้าง LHC นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถสังเกตควาร์กได้ที่เครื่องเร่งเทวาตรอนเท่านั้น เนื่องจากอุปกรณ์อื่นๆ ไม่มีพลังงานและพลังงานเพียงพอ ในทางกลับกัน ทฤษฎีควาร์กก็เป็นองค์ประกอบสำคัญของสมมติฐานฮิกส์โบซอนที่ได้รับการยกย่อง

นักวิทยาศาสตร์ดำเนินการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมดเกี่ยวกับการสร้างและศึกษาคุณสมบัติของควาร์กในห้องอบไอน้ำท็อปควาร์ก-แอนติควาร์กที่ LHC

เป้าหมายสำคัญของโครงการเจนีวาก็คือกระบวนการศึกษากลไกของสมมาตรแบบอิเล็กโตรอ่อนแอ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการพิสูจน์การทดลองของการมีอยู่ของฮิกส์โบซอนด้วย เพื่อกำหนดปัญหาให้แม่นยำยิ่งขึ้น หัวข้อการศึกษาไม่ได้เกี่ยวกับโบซอนมากนัก แต่เป็นกลไกในการทำลายความสมมาตรของปฏิกิริยาอิเล็กโทรอ่อนแอที่ปีเตอร์ ฮิกส์ ทำนายไว้

นอกจากนี้ LHC ยังทำการทดลองเพื่อค้นหาสมมาตรยิ่งยวด และผลลัพธ์ที่ต้องการจะเป็นข้อพิสูจน์ทั้งทฤษฎีที่ว่าอนุภาคมูลฐานใดๆ จะมีอนุภาคที่หนักกว่ามาด้วยเสมอ และการหักล้างของมัน