Large Hadron Collider

Stor Hadron Collider

Fragment av LHC, sektor 3-4
Sorts Synkrotron
Ändamål Collider
Land Schweiz / Frankrike
Laboratorium CERN
År av arbete 2008-
Experiment
Tekniska specifikationer
Partiklar p×p, Pb 82+ × Pb 82+
Energi 6,5 TeV
Omkrets/längd 26 659 m
utsläpp 0,3 nm
Ljusstyrka 2•10 34 cm −2 s −1
annan information
Geografiska koordinater 46°14′ N. sh. 6°03′ Ö e.
Hemsida home.cern/topics/large-h…
public.web.cern.ch/publi…
 Mediafiler på Wikimedia Commons

The Large Hadron Collider , förkortat LHC ( Large Hadron Collider , förkortat LHC ) är en kolliderande partikelaccelerator designad för att accelerera protoner och tunga joner ( blyjoner ) och studera produkterna av deras kollisioner. Kollideren byggdes vid CERN (European Council for Nuclear Research), beläget nära Genève , på gränsen mellan Schweiz och Frankrike . LHC är den största experimentanläggningen i världen. Mer än 10 000 vetenskapsmän och ingenjörer från mer än 100 länder [1] , inklusive 12 institut och 2 federala kärnkraftscentra ( VNIITF , VNIYaF), har deltagit och deltar i konstruktion och forskning.  

"Big" heter på grund av sin storlek: längden på gaspedalens huvudring är 26 659 m [2] ; "Hadron" - på grund av det faktum att det accelererar hadroner : protoner och tunga atomkärnor ; " collider " ( engelska  collider  - collider ) - på grund av att två strålar av accelererade partiklar kolliderar i motsatta riktningar på speciella kollisionsställen - inuti detektorerna för elementarpartiklar [3] .

Uppgifter

Huvuduppgiften för Large Hadron Collider är att på ett tillförlitligt sätt upptäcka åtminstone några avvikelser från standardmodellen [4]  - en uppsättning teorier som utgör den moderna förståelsen av fundamentala partiklar och interaktioner. Trots dess fördelar har den också svårigheter: den beskriver inte gravitationsinteraktionen , förklarar inte förekomsten av mörk materia och mörk energi . Kollideraren ska hjälpa till att svara på frågor som är olösta inom ramen för standardmodellen [5] .

Sökandet efter ny fysik och testandet av exotiska teorier

Standardmodellen ger inte en enhetlig beskrivning av alla grundläggande interaktioner och bör, enligt teoretiker, vara en del av någon djupare teori om strukturen i mikrovärlden, som är synlig i kolliderexperiment vid energier under 1 TeV . Huvuduppgiften för Large Hadron Collider, där högre energier är tillgängliga, är att få åtminstone de första antydningarna om vad denna djupare teori är. Ett stort antal kandidater för en sådan teori har utvecklats - de kallas " New Physics " [6] . Det talas också om "exotiska modeller" - många ovanliga idéer om världens struktur som har framförts de senaste åren. Dessa inkluderar teorier med stark gravitation på en energiskala i storleksordningen 1 TeV, de så kallade Grand Unified Theories , modeller med ett stort antal rumsliga dimensioner [ca. 1] , preonmodeller , där kvarkar och leptoner själva består av partiklar, modeller med nya typer av interaktioner och nya partiklar. Alla av dem motsäger inte tillgängliga experimentella data, utan till stor del på grund av begränsningarna hos den senare. Det förväntas att resultaten som erhållits vid LHC kommer att hjälpa till att bekräfta eller motbevisa förutsägelserna från olika teorier [6] [7] .

Sök efter supersymmetri

Ett av sätten att kombinera lagarna för alla grundläggande interaktioner inom ramen för en enda teori är " supersymmetri "-hypotesen, som antar att det finns en tyngre partner för varje känd elementarpartikel [5] . Teorierna baserade på den är de mest populära inom området "New Physics" (särskilt supersymmetriska partiklar anses vara kandidater för rollen som hypotetiska partiklar av mörk materia [5] ), och sökandet efter dess experimentella bekräftelse är en av LHC:s huvuduppgifter [6] [7] .

Studie av Higgs-mekanismen för elektrosvag symmetribrytning

En viktig punkt på vägen till en mer komplett teori än standardmodellen är studiet av Higgs mekanism för symmetribrytning av den elektrosvaga interaktionen . Det är i sin tur mest bekvämt utforskat genom upptäckten och studien av Higgs-bosonen [7] . Det är ett kvantum av det så kallade Higgsfältet , som passerar genom vilket partiklarna får sin massa [5] [8] . Existensen av Higgs-bosonen förutspåddes 1964 , och dess sökning blev ett av huvudmålen för LHC-projektet. Efter det efterlängtade tillkännagivandet om upptäckten av denna partikel 2012, antar det vetenskapliga programmet för LHC många uppgifter för en grundlig studie av dess egenskaper [5] [7] .

Studerar toppkvarkar

Toppkvarken  är den tyngsta kvarken och i allmänhet den tyngsta elementarpartikeln som hittills upptäckts . På grund av sin stora massa (och, som ett resultat, den energi som krävs för dess födelse) före Large Hadron Collider, erhölls den endast med en accelerator - Tevatron [9] , enligt de senaste (2016) resultaten av vilka [ 10] , är masstoppkvarken 174,30 ± 0,65 GeV / c² . Det faktum att detta är mycket större än för alla andra kvarkar indikerar den sannolika viktiga rollen för toppkvarkar i mekanismen för elektrosvag symmetribrott. Dessutom fungerar toppkvarkar också som ett bekvämt arbetsverktyg för att studera Higgs-bosonen, vars en av de viktigaste produktionskanalerna är associativ produktion tillsammans med ett toppkvark-antikvarkpar, och för att på ett tillförlitligt sätt separera sådana händelser från bakgrunden , krävs också noggrann uppmärksamhet.studie av egenskaperna hos själva toppkvarkarna [7] [9] .

Studie av kvarg-gluonplasma

Förutom proton-proton-kollisioner innebär arbetsprogrammet för Large Hadron Collider också (under ungefär en månad om året) kollisioner av tunga joner. När två ultrarelativistiska kärnor kolliderar bildas en tät och mycket varm klump av kärnämne som sedan sönderfaller - kvarg-gluonplasma . Att förstå fenomenen som inträffar under övergången till detta tillstånd, där materia befann sig i det tidiga universum, och dess efterföljande avkylning, när kvarkar binds , är nödvändigt för att bygga en mer avancerad teori om starka interaktioner, användbar både för kärnfysik och för astrofysik [5] [7] .

Studie av foton-hadron och foton-fotonkollisioner

Protonen , som är elektriskt laddad, är omgiven av ett elektrostatiskt fält, som kan betraktas som ett moln av virtuella fotoner . En ultrarelativistisk proton genererar en ström av nästan verkliga fotoner som flyger bredvid den, som blir ännu starkare i läget för kärnkraftskollisioner. Dessa fotoner kan kollidera med en mötande proton, vilket ger upphov till typiska foton-hadron-kollisioner, eller till och med med varandra [7] . När man studerar protoners kollision studeras alltså indirekt växelverkan mellan materia och högenergifotoner, vilket är av stort intresse för teoretisk fysik [11] .

Antimateriaforskning

Antimateria borde ha bildats vid tiden för Big Bang i samma mängd som materia, men nu observeras den inte i universum - denna effekt kallas universums baryonsymmetri . Experiment på Large Hadron Collider kan hjälpa till att förklara det [5] .

Specifikationer

Konstruktion

Acceleratorn är placerad i samma tunnel som tidigare ockuperades av Large Electron-Positron Collider . Tunneln med en omkrets på 26,7 km lades under jord i Frankrike och Schweiz . Det underjordiska läget dikteras av lägre byggkostnader, minimerar landskapselementens påverkan på experiment och förbättrar strålskyddet. Tunnelns djup är från 50 till 175 meter, och tunnelringen lutar ca 1,4 % i förhållande till jordytan, vilket också gjordes av främst ekonomiska skäl [5] .

Accelerationsringen består av 8 bågar (de så kallade sektorerna), och skär mellan dem - raka sektioner, i vars ändar det finns övergångszoner. Ett enda arbetsområde kallas en oktant - området mellan mittpunkterna av intilliggande bågar med en insats i mitten; ringen innehåller alltså 8 oktanter. Den består av ett smalt vakuumrör, vars rörelse av partiklar styrs av elektromagnetiska enheter: roterande och fokuserande magneter, accelererande resonatorer [5] .

Magnetsystem

Roterande dipolmagneter är installerade i sektorerna (154 i varje sektor, 1232 totalt), på grund av vars fält protonbuntar ständigt roterar och blir kvar inuti accelerationsringen [12] . Dessa magneter är en kabelspole som innehåller upp till 36 trådar med 15 mm tjocklek, som var och en i sin tur består av ett mycket stort antal (6000-9000) individuella fibrer med en diameter på 7 mikron. Den totala längden på kablarna är 7 600 km, individuella kärnor är 270 000 km. Kablarna är gjorda av lågtemperatursupraledare niob -titan och är klassade för att fungera vid en temperatur på 1,9 K (−271,3 °C) upprätthållen med superfluid helium . Varje kabel kan hålla upp till 11,85 kiloampere ström och skapa ett magnetfält med en induktion på 8,33 Tesla , vinkelrätt mot ringens plan - för detta utförs lindningen längs, och inte runt, acceleratorns vakuumrör . Den totala energin som lagras i en magnet är cirka 10 MJ. Varje dipolmagnet är 15 meter lång och väger cirka 35 ton [5] [13] .

Särskilda fokuseringsmagneter (totalt 392 kvadrupolmagneter ) begränsar tvärgående svängningar av protoner och hindrar dem från att vidröra väggarna i ett smalt (5 cm i diameter) vakuumrör [5] [12] [14] . Särskilt viktigt är fokuseringen av strålarna framför kollisionspunkterna - upp till flera hundradels millimeter - eftersom detta säkerställer kolliderarens höga ljusstyrka [5] [13] [14] . Fyrpolsmagneter, till skillnad från en konventionell optisk lins, kan fokusera en stråle i vertikalplanet, defokusera den i horisontalplanet, eller vice versa, så en kombination av flera fyrpoliga magneter med olika verkan krävs för att fokusera strålen i båda riktningarna. Dessa magneter, över tre meter långa, skapar ett magnetfältsfall på 223 Tesla/meter inuti vakuumröret [13] .

Slutligen, på platsen för protoninjektion i LHC-ringen (2 och 8 oktas), såväl som vid strålens fallpunkt (6 oktas ), finns speciella magneter - kickers och septum ( eng  . septa ). Under normal drift av LHC stängs de av och slås på endast i det ögonblick då nästa gäng protoner kastas in i kollideraren från den preliminära acceleratorn eller när strålen tas ut ur acceleratorn. Huvudfunktionen hos dessa magneter är att de tänds på cirka 3 mikrosekunder - detta är mycket mindre än tiden för en fullständig strålrotation vid LHC. Till exempel, om strålspårningssystemet upptäcker att det är utom kontroll, slås dessa magneter på vid oktant 6 och tar snabbt bort strålen från gaspedalen [13] .  

Partikelacceleration i kollideraren

Acceleratorn var designad för kollisioner av protoner med en total energi på 14 TeV i masscentrumsystemet av infallande partiklar, samt för kollisioner av blykärnor med en energi på 1150 TeV eller 10 TeV för varje par kolliderande nukleoner . Acceleration av partiklar till så höga energier uppnås i flera steg [5] [12] [15] :

  • Protoner bryts från vätgas genom jonisering . Blyatomer joniseras också - med hjälp av en elektrisk ström, som är i ett tillstånd av ånga, värms upp till 800 ° C; i detta fall bildas olika laddningstillstånd, men mest av allt Pb 29+ joner , som väljs för ytterligare acceleration.
  • Lågenergi linjäraccelerator Linac 2 [ca. 2] accelererar protoner till en energi på 50 MeV, vilket motsvarar en hastighet på 0,314 c . Blyjoner accelereras först av en annan linjär accelerator, Linac 3, upp till 4,2 MeV/nukleon, sedan, när de passerar genom kolfolien, joniseras de ytterligare till Pb 54+-tillståndet .
  • Protoner injiceras, grupperas i buntar [ca. 3] , in i protonsynkrotronförstärkaren ( PS) , där de får en energi på 1,4 GeV (0,916 s). För Pb 54+-strålen realiseras nästa accelerationssteg innan man träffar PS, upp till 72 MeV/nukleon, i lågenergijonringen .
  • I PS själv bringas energin för protoner upp till 25 GeV (motsvarande 0,9993 s), och för blyjoner, upp till 5,9 GeV/nukleon.
  • Partikelaccelerationen fortsätter i ringacceleratorn SPS (Proton Super Synchrotron), där var och en av partiklarna i protonbunten får en energi på 450 GeV (0,999998 s). Jonstrålen, å andra sidan, har passerat genom den andra folien och är fullständigt joniserad till Pb 29+-tillståndet , accelereras i SPS upp till 177 GeV/nukleon.
  • Sedan överförs proton- eller jonstrålen till huvudringen på 26,7 kilometer - både medurs och motsatt riktning. Protonenergin bringas till maximalt 7 TeV (0,999999991 s) inom 20 minuter - denna acceleration sker under protonernas flygning genom flera resonatorer installerade i 4 oktanter. Jonerna accelereras i huvudringen till 2,56 TeV/nukleon.

Vidare kan strålarna cirkulera i huvudringen av LHC i normalt läge i timmar, buntarna i dem är placerade i konstanta positioner i förhållande till varandra. Två kolliderande strålar av protoner vid full fyllning kan innehålla 2808 klasar vardera i sin tur i varje knippe - 100 miljarder protoner [5] [14] . Klasarna går igenom en hel cirkel av gaspedalen på mindre än 0,0001 sek, vilket gör mer än 10 tusen varv per sekund [12] . I processen av acceleration upplever protoner överbelastning ~10 20 g [17] . Varje jonknippe innehåller 70 miljoner blykärnor, och deras maximala antal i huvudringen är 700 [15] . Vid ett givet ögonblick avböjs de kolliderande strålarna så att de kolliderar i en eller annan punkt av ringen, så att det är inuti den önskade detektorn som registrerar partiklarna som bildas till följd av kollisioner [5] [ 14] . För att förhindra de negativa konsekvenserna av partikelavvikelse i tvärplanet från den ideala banan, skärs strålglorien som bildas i detta fall mekaniskt av med hjälp av kollimatorer - dessa strålrengöringssystem är installerade i oktant 3 och 7. I oktant 6 finns en stråle utstötningssystem: det innehåller snabba magneter, som vid behov slås på under en mycket kort tid (i storleksordningen flera mikrosekunder) och avböjer strålen något, som ett resultat av vilket protonerna lämnar den cirkulära omloppsbanan, sedan strålen är oskarp, lämnar gaspedalen genom en speciell kanal och absorberas säkert av massiva kolkompositblock i ett separat rum. Strålåterställning är nödvändig både i en nödsituation — ett fel i det magnetiska styrsystemet eller en för stark avvikelse av strålbanan från den beräknade — och i normalläget med några tiotals timmars mellanrum under normal drift av acceleratorn, när strålen försvagas [12] .

Detektorer

LHC har 4 huvuddetektorer och 3 hjälpdetektorer:

  • ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
  • CMS (Compact Muon Solenoid)
  • LHCb (The Large Hadron Collider skönhetsexperiment)
  • TOTEM (Total Elastisk och diffraktiv tvärsnittsmätning)
  • LHCf (The Large Hadron Collider forward)
  • MoEDAL (monopol och exotisk detektor vid LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb är stora detektorer placerade runt strålkollisionspunkter. TOTEM- och LHCf-detektorerna är extra, placerade på ett avstånd av flera tiotals meter från strålens skärningspunkter som upptas av CMS- respektive ATLAS-detektorerna, och kommer att användas tillsammans med de viktigaste.

ATLAS- och CMS-detektorerna är generella detektorer designade för att söka efter Higgs-bosonen och "icke-standardfysik", i synnerhet mörk materia , ALICE - för att studera kvarg-gluonplasma i tunga blyjonkollisioner, LHCb - för att studera fysiken av b -kvarkar , vilket gör det möjligt att bättre förstå skillnaderna mellan materia och antimateria , är TOTEM utformad för att studera spridningen av partiklar vid små vinklar, till exempel de som uppstår under nära spännvidder utan kollisioner (de så kallade icke-kolliderande partiklarna , framåtriktade partiklar), vilket gör att du kan mäta storleken på protoner mer exakt, samt kontrollera kolliderarens ljusstyrka, och slutligen LHCf - för studiet av kosmiska strålar , modellerad med samma icke-kolliderande partiklar [18 ] .

LHC:s arbete är också associerat med den sjunde detektorn (experimentet) MoEDAL [19] , som är ganska obetydlig i termer av budget och komplexitet , utformad för att söka efter långsamt rörliga tunga partiklar.

Under kolliderarens drift utförs kollisioner samtidigt vid alla fyra skärningspunkterna för strålarna, oavsett typen av accelererade partiklar (protoner eller kärnor). Samtidigt samlar alla detektorer in statistik samtidigt.

Energiförbrukning

Under driften av kollideren kommer den beräknade energiförbrukningen att vara 180 MW . Beräknad energiförbrukning för hela CERN för 2009, med hänsyn till den operativa kollideraren, är 1000 GW·h, varav 700 GW·h kommer att stå för av acceleratorn. Dessa energikostnader är cirka 10 % av den totala årliga energiförbrukningen i kantonen Genève . CERN själv producerar inte ström, med endast reservdieselgeneratorer .

Säkerhetsproblem

En betydande mängd uppmärksamhet från allmänheten och media är förknippad med diskussionen om katastrofer som kan inträffa i samband med LHC:s funktion. Den mest diskuterade faran är uppkomsten av mikroskopiska svarta hål , följt av en kedjereaktion av fångst av den omgivande materien, såväl som hotet om uppkomsten av armband , hypotetiskt kapabla att omvandla all materia i universum till spännband [20 ] .

Konstruktion och drift

Konstruktion

Idén till projektet Large Hadron Collider föddes 1984 och godkändes officiellt tio år senare. Dess konstruktion började 2001 , efter att arbetet med den tidigare acceleratorn, Large Electron-Positron Collider [21] slutförts .

Projektledare - Lyndon Evans .

Den 19 november 2006 slutfördes konstruktionen av en speciell kryogen linje för kylning av magneter [21] .

Den 27 november 2006 installerades den sista supraledande magneten i tunneln [21] .

Testning och drift

2008 Lansera. Crash

I mitten av september 2008 slutfördes den första delen av de preliminära testerna framgångsrikt [22] . LHC-teamet lyckades lansera och kontinuerligt hålla den cirkulerande strålen. [23] De utskjutna protonstrålarna passerade framgångsrikt hela omkretsen av kollideraren medurs och moturs [24] . Detta gjorde det möjligt att tillkännage den officiella lanseringen av kollideren den 10 september . [25] [26] Men mindre än 2 veckor senare, under tester av det magnetiska systemet den 19 september, inträffade en olycka - en släckning , som ett resultat av vilket LHC misslyckades [27] . En av de elektriska kontakterna mellan de supraledande magneterna smälte under inverkan av en elektrisk ljusbåge som uppstod på grund av en ökning av strömstyrkan, som genomborrade isoleringen av heliumkylsystemet (kryogent system), vilket ledde till deformation av strukturerna, förorening av vakuumrörets inre yta med metallpartiklar, och även utsläpp av cirka 6 ton flytande helium i tunneln. Denna olycka tvingade kollideraren att stängas av för reparationer, vilket tog resten av 2008 och större delen av 2009.

2009-2014. Reduced Energy Operation (Run1)

2009–2013 opererade kollideren med reducerad energi. Till en början utfördes proton-protonkollisioner med en mycket blygsam energi på 1180 GeV per stråle enligt LHC-standarderna [28] , vilket ändå gjorde att LHC kunde slå det tidigare rekordet, som tillhörde Tevatronacceleratorn . Kort därefter höjdes strålenergin till 3,5 TeV [29] och sedan, 2012, nådde strålenergin 4 TeV [30] . Utöver rekordet för energin hos protoner i strålar, satte LHC längs vägen ett världsrekord för toppljusstyrka för hadronkolliderare - 4,67⋅10 32 cm −2 ·sek −1 ; det tidigare rekordet sattes också på Tevatron [31] . Det mest kända vetenskapliga resultatet av kolliderarens arbete under denna period var upptäckten av Higgs-bosonen [32] [33] [34] .

Stadierna för att samla in statistik i proton-protonkollisioner alternerade med perioder av kollision av tunga joner ( blyjoner ) [35] [36] . Kollideren genomförde också proton-jonkollisioner [37] .

Nästan hela 2013–2014 togs upp av moderniseringen av kollideren, under vilken inga kollisioner genomfördes.

2015-2018 (Kör 2)

2015 accelererades protonerna till 6,5 TeV och vetenskaplig datainsamling började vid en total kollisionsenergi på 13 TeV. Med årliga uppehåll för vintern samlas statistiken över proton-protonkollisioner in. Det är brukligt att ägna slutet av året åt tung jonfysik. I november och början av december 2016 skedde alltså kollisioner av protoner med blykärnor i ungefär en månad [38] . Hösten 2017 ägde en testsession av xenonkollisioner rum [39] , och i slutet av 2018 genomfördes kollisioner av blykärnor under en månad [40] .

Utvecklingsplaner

Fram till 2018 kommer LHC att samla in statistik vid en energi på 13–14 TeV, planen för att ackumulera en integrerad ljusstyrka på 150 fb −1 . Detta följs av en avstängning i 2 år för att uppgradera kaskaden av föracceleratorer för att öka den tillgängliga strålintensiteten, främst SPS , samt den första fasen av uppgraderingen av detektorerna, vilket kommer att fördubbla kolliderarens ljusstyrka . Från början av 2021 till slutet av 2023 samlas statistik in vid en energi på 14 TeV med en volym på 300 fb −1 , varefter det planeras att stanna i 2,5 år för en betydande modernisering av både acceleratorn och detektorerna ( HL-LHC- projektet  - High Luminocity LHC [41] [42] ). Det är tänkt att öka ljusstyrkan med ytterligare 5-7 gånger, på grund av en ökning av strålarnas intensitet och en betydande ökning av fokuseringen vid mötespunkten. Efter lanseringen av HL-LHC 2026 kommer ljusstyrkan att pågå i flera år, det uttalade målet är 3000 fb −1 .

Möjligheten att utföra kollisioner av protoner och elektroner ( LHeC- projekt ) [43] diskuteras också . För att göra detta måste du fästa en elektronaccelerationslinje. Två alternativ diskuteras: tillägget av en linjär elektronaccelerator och placeringen av en ringaccelerator i samma tunnel som LHC. Den närmast realiserade analogen av LHeC är den tyska elektron-protonkollideren HERA . Det noteras att, i motsats till proton-protonkollisioner, är spridningen av en elektron av en proton en mycket "ren" process, vilket gör det möjligt att studera en protons partonstruktur mycket mer noggrant och exakt.

Man tror att, med hänsyn till alla uppgraderingar, kommer LHC att fungera fram till 2034, men redan 2014 beslutade CERN att utarbeta alternativ för vidareutveckling inom området högenergifysik. En studie har påbörjats om möjligheten att bygga en kollider med en omkrets på upp till 100 km [44] [45] . Projektet kallas FCC (Future Circular Collider), det kombinerar den sekventiella skapandet av en elektron-positronmaskin (FCC-ee) med en energi på 45-175 GeV i en stråle för att studera Z-, W-, Higgs-bosonerna och t-kvarken, och sedan, i samma tunnel, Hadron Collider (FCC-hh) för energier upp till 100 TeV [46] .

Distribuerad beräkning

För att hantera, lagra och bearbeta data som kommer från LHC-acceleratorn och detektorer, skapas ett distribuerat datornätverk LCG ( engelska  LHC Computing GRID ) med hjälp av grid -teknik . För vissa beräkningsuppgifter (beräkning och korrigering av magnetparametrar genom att simulera protonernas rörelse i ett magnetfält) är det distribuerade beräkningsprojektet LHC@home involverat . Möjligheten att använda LHC@home-projektet för att bearbeta den erhållna experimentella data övervägdes också, men de största svårigheterna är förknippade med en stor mängd information som behövs för att överföras till fjärrdatorer (hundratals gigabyte). Som en del av LHC@Home 2.0 distribuerade beräkningsprojekt (Test4Theory), simuleras protonstrålekollisioner för att jämföra den erhållna modellen och experimentella data.

Vetenskapliga resultat

På grund av den högre energin jämfört med de tidigare kolliderarna gjorde LHC det möjligt att "titta" in i den tidigare otillgängliga energiregionen och få vetenskapliga resultat som lägger restriktioner på ett antal teoretiska modeller.

En kort lista över vetenskapliga resultat som erhållits vid kollideraren [48] :

  • Higgs-bosonen upptäcktes , dess massa bestämdes till 125,09 ± 0,21 GeV [33] [34] [32] ;
  • vid energier upp till 8 TeV har de viktigaste statistiska egenskaperna för protonkollisioner studerats: antalet producerade hadroner , deras hastighetsfördelning, Bose-Einstein- korrelationer av mesoner , långväga vinkelkorrelationer och sannolikheten för protonstopp;
  • frånvaron av asymmetri hos protoner och antiprotoner visades [49] ;
  • ovanliga korrelationer hittades för protoner som emitterades i väsentligt olika riktningar [50] ;
  • restriktioner för möjliga kontaktinteraktioner mellan kvarkar erhölls [51] ;
  • mer övertygande, i jämförelse med tidigare experiment [52] erhölls indikationer på utseendet av kvarg-gluonplasma i kärnkollisioner [53] ;
  • händelserna vid födelsen av hadronstrålar studerades ;
  • förekomsten av en toppkvark , som tidigare endast observerats vid Tevatron , bekräftades ;
  • två nya kanaler för sönderfallet av B s mesoner har upptäckts [54] [55] , uppskattningar har erhållits för sannolikheterna för supersällsynta sönderfall av B och B s mesoner till myon-antimuonpar [56] [57] ;
  • nya, teoretiskt förutspådda partiklar upptäcktes [58] , [59] , och [60] ;
  • de första data om rekordbrytande proton-jon-kollisioner erhölls [37] , vinkelkorrelationer som tidigare observerats i proton-proton-kollisioner upptäcktes [61] [62] ;
  • meddelade observationen av partikeln Y(4140) , som tidigare endast observerats vid Tevatron 2009 [63] .

Dessutom gjordes försök att upptäcka följande hypotetiska objekt [64] :

Trots det misslyckade resultatet av sökningen efter dessa föremål erhölls strängare begränsningar för den minsta möjliga massan av var och en av dem. När statistiken ackumuleras blir begränsningarna för minimimassan för de listade objekten strängare.

Övriga resultat
  • Resultaten av LHCf- experimentet , som fungerade under de första veckorna efter lanseringen av LHC, visade att energifördelningen av fotoner i regionen från noll till 3,5 TeV är dåligt beskriven av program som simulerar denna process, vilket leder till skillnader mellan verkliga och modelldata 2–3 gånger (för den högsta fotonenergin, från 3 till 3,5 TeV, ger alla modeller förutsägelser som är nästan en storleksordning högre än de verkliga data) [70] .
  • Den 15 november 2012 tillkännagav CMS- samarbetet observationen av en Y(4140) -partikel med en massa på 4148,2 ± 2,0 (stat) ± 4,6 (sys) MeV/c² (statistiskt signifikant över 5σ), som tidigare endast observerats vid Tevatron år 2009 d. Observationerna gjordes under bearbetningen av statistik om 5,2 fb −1 protonkollisioner vid en energi av 7 TeV. Det observerade sönderfallet av denna partikel till en J/ψ-meson och en Phi-meson beskrivs inte inom ramen för standardmodellen [63] [71] .
  • Den 14 juli 2015 tillkännagavs upptäckten av en klass av partiklar som kallas pentaquarks av LHCb- samarbetet . [72] [73]

Projektfinansiering

År 2001 förväntades den totala kostnaden för projektet vara cirka 4,6 miljarder CHF (3 miljarder euro) för själva acceleratorn (utan detektorer) och 1,1 miljarder CHF (700 miljoner euro) för CERN :s andel av experimenten (dvs. konstruktion och underhåll av detektorer) [74] .

Konstruktionen av LHC godkändes 1995 med en budget på 2,6 miljarder schweizerfranc (1,6 miljarder euro) och ytterligare 210 miljoner schweizerfranc (140 miljoner euro) för experiment (dvs. detektorer, datainsamling och bearbetning). Under 2001 ökade dessa kostnader med 480 miljoner franc (300 miljoner euro) för acceleratorn och 50 miljoner franc (30 miljoner euro) för experiment (kostnader direkt hänförliga till CERN), vilket, på grund av budgetnedskärningar vid CERN, ledde till en ändring av de planerade datumen för införandet från 2005 till april 2007 [75] .

Projektets budget i november 2009 var 6 miljarder USD för byggandet av anläggningen, vilket tog sju år att färdigställa. Partikelacceleratorn skapades under ledning av CERN. Cirka 700 [76] specialister från Ryssland var involverade i projektet, som deltog i utvecklingen av LHC-detektorerna [77] . Den totala kostnaden för beställningar som tagits emot av ryska företag uppgick enligt vissa uppskattningar till 120 miljoner dollar [78] .

Den officiella kostnaden för LHC-projektet inkluderar inte kostnaden för infrastruktur och utveckling som tidigare funnits vid CERN. Således installerades LHC:s huvudutrustning i tunneln till den tidigare befintliga LEP-kollideren, medan den flerkilometer långa SPS-ringen användes som en preliminär accelerator. Om LHC måste byggas från grunden skulle kostnaden bli mycket högre.

Reflektion i konsten

  • I science fiction-boken berättar författaren Max Ostrogin "Den stora röda knappen" om början av apokalypsen efter att ha slagit på kollideraren med full kraft .
  • Det finns en filkgrupp på CERN , Les Horribles Cernettes , vars förkortning är samma som LHC. Den första låten i denna grupp "Collider" tillägnades en kille som glömde sin flickvän, som blev förd av skapandet av en kolliderare [79] .
  • I den fjärde säsongen av science fiction-tv-serien Lexx hamnar huvudkaraktärerna på jorden . Jorden visar sig vara en "typ 13"-planet i det sista utvecklingsstadiet. Typ 13-planeter förstör alltid sig själva, som ett resultat av krig eller ett misslyckat försök att bestämma massan av Higgs-bosonen med en superkraftig partikelaccelerator.
  • I Blixten.
  • I det sjätte avsnittet av den trettonde säsongen av den animerade serien " South Park ", med hjälp av en magnet från Large Hadron Collider, uppnåddes FTL vid Pinewood Derby-tävlingen.
  • I Angels & Demons av Dan Brown stals antimateria från Large Hadron Collider och tjuvarna ville spränga Vatikanen med det.
  • I BBC -filmen End of the World var det sista av de fyra mest troliga apokalypsscenarierna en explosion under lanseringen av den senaste partikelacceleratorn, vilket ledde till bildandet av ett svart hål. Men inbjudna experter hävdar att sannolikheten för en katastrof är uppblåst av den "gula pressen", medan sannolikheten för en tsunami, en asteroid som faller eller en dödlig epidemi är mycket högre.
  • I avsnitt 13 av säsong 1 av sci-fi-serien Odyssey 5 hamnar huvudkaraktärerna på CERN , där lokala forskare och anställda försäkrar att LHC är helt säker, baserat på preliminära beräkningar. Men som det visade sig senare, hackade en form av cyberintelligens och penetrerade CERN:s huvuddator och förfalskade de allmänna beräkningarna. Efter att ha räknat ut detta, baserat på nya korrekta beräkningar, får forskare reda på att det finns en stor sannolikhet för uppkomsten av strangelets i kollideraren, vilket oundvikligen kommer att leda till världens ände.
  • I den spanska tv-serien " The Ark " och dess ryska version " The Ship " gick alla kontinenter under vatten på grund av explosionen av LHC. I en av serierna i den animerade serien "American Dad" kan världens undergång också hända på grund av hadronkollideren, men inte ett enda land kommer att sjunka.
  • Den visuella romanen, anime och manga Steins;Gate gjorde flera referenser till LHC; CERN nämndes också som utvecklaren av tidsmaskinen.
  • I den animerade serien Futurama köper professor Farnsworth en kollider från Picay. Efter ett tag förklarar han: "superkollideren superexploderade (i andra fall skulle planeten ha dött med ett" enkelt klick ")".
  • Joe Haldemans bok " Infinite World " beskriver bland annat processen att skapa en gigantisk accelerator, vars lansering bör leda till en stor explosion som kommer att ge upphov till ett nytt universum, samtidigt som det förstör det befintliga.
  • I dataspelet Eureka! » ett av målen är att återföra LHC till jorden .
  • År 2009 gjorde Nikolai Polissky , tillsammans med Nikola-Lenivets hantverk , en installation av trä och vinstockar i det centrala utrymmet på Museum of Modern Art of Luxembourg MUDAM , som han kallade " Large Hadron Collider " [80] .
  • Hadron Collider kan byggas i Rise of Nations .
  • LHC nämndes i det första avsnittet av den femte säsongen av Breaking Bad .
  • I tv-serien The Big Bang Theory nämns LHC ofta av huvudfysikerna som en plats de väldigt gärna skulle vilja besöka. Dessutom lyckades flera fortfarande besöka Schweiz och träffa honom.
  • I stadssimuleringen Cities: Skylines framträder Hadron Collider som ett monument.
  • I musikvideon till låten Redshift av det brittiska bandet Enter Shikari är LHC skaparen av det svarta hålet.
  • Det fjortonde studioalbumet av det amerikanska metalbandet Megadeth heter Super Collider, och LHC finns med på skivomslaget.
Populärvetenskapliga filmer
  • "BBC: The Big Bang Machine" ( eng.  The Big Bang Machine ) - populärvetenskaplig film , BBC , 2008.
  • "The Large Hadron Collider. The Fellowship of the Ring - populärvetenskaplig film, Kanal 5 , 2010.
  • BBC. Horizon: The  Hunt for the Higgs - A Horizon Special ) - populärvetenskaplig film, 2012.
  • "Science 2.0. interaktionspunkt. CERN" - populärvetenskaplig film, VGTRK , 2012.
  • "Passion för partiklar / Partikelfeber" - en dokumentärfilm, 2013.
  • "Science 2.0. Bortom. Collider - dokumentärfilm, 2017.
  • Google Street View fick i september 2013 panoramabilder av kollideren [81] .

Se även

Anteckningar

Anteckningar
  1. ↑ I det här fallet bör ett antal effekter som saknas i standardmodellen förväntas vid LHC, till exempel födelsen av gravitoner som kommer att flyga bort från vår värld till extra dimensioner, och mikroskopiska svarta hål som omedelbart avdunstar med utsläpp av många vanliga partiklar [6] .
  2. ↑ I framtiden är det planerat att ersätta den med Linac 4 [16] .
  3. ↑ Protonstrålen är inte en homogen kontinuerlig "stråle", utan är uppdelad i separata klasar av protoner som flyger en efter en på ett strikt definierat avstånd. Varje koagel har en längd på flera tiotals centimeter och en tjocklek på bråkdelar av en millimeter. Detta görs främst av bekvämlighetsskäl för att accelerera protoner i resonatorer [14] .
Fotnoter
  1. ↑ Roger Highfield. Large Hadron Collider: Tretton sätt att förändra världen . Telegraph (16 september 2008). Tillträdesdatum: 13 januari 2016.
  2. ↑ Den ultimata guiden till LHC  (engelska) S. 30.
  3. ↑ LHC: nyckelfakta . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  4. ↑ Mysteries of the Large Hadron Collider: januari 2016 . Elements.ru .
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 LHC - guiden -  faq . CERN (feb 2017). Tillträdesdatum: 14 juni 2020.
  6. ↑ 1 2 3 4 Beyond the Standard Model .
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Utmaningar som LHC står inför . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  8. ↑ Higgs mekanism för elektrosvag symmetribrytning . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  9. ↑ 1 2 Program för studiet av toppkvarken . Elements.ru . Tillträdesdatum: 21 juni 2020.
  10. ↑ Tevatron Electroweak-arbetsgruppen för CDF- och D0-samarbeten. Kombination av CDF och D0 resultat på massan av toppkvarken med upp till 9,7 fb −1 vid Tevatron  : [ eng. ] // FERMILAB-CONF-16-298-E TEVEWWG/top2016/01. - 2016. - Juli. - C. CDF Note 11204D0 Note 6486.
  11. ↑ Den mångsidiga protonen . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  12. ↑ 1 2 3 4 5 LHC-enhet . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  13. ↑ 1 2 3 4 LHC magnetsystem . Elements.ru . Tillträdesdatum: 7 augusti 2020.
  14. ↑ 1 2 3 4 5 Protonstrålar vid LHC . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  15. ↑ 1 2 Cid R., Cid-Vidal X. LHC Pb-kollisioner  . Ta en närmare titt på LHC . Tillträdesdatum: 26 september 2020.
  16. ↑ Linjäraccelerator  2 . CERN. Tillträdesdatum: 29 september 2020.
  17. ↑ https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0104030.pdf
  18. ↑ CERN/Experiment . CERN . Tillträdesdatum: 13 januari 2016.
  19. ↑ Ett experiment för att söka efter monopoler kommer att genomföras vid LHC . Elementy.ru (21 mars 2010). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  20. ↑ Potentialen för fara i partikelkolliderexperiment 
  21. ↑ 1 2 3 LHC: En kronologi av skapelse och funktion .
  22. ↑ LHC -synkroniseringstestet lyckades 
  23. ↑ Stabil cirkulerande stråle lanserad vid LHC . Elementy.ru (12 september 2008). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  24. ↑ Uppdraget är klart för LHC-laget . IOP Physics World. Hämtad 12 september 2008. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  25. ↑ LHC milstolpedagen börjar snabbt . IOP Physics World. Hämtad 12 september 2008. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  26. ↑ Första strålen i LHC-accelererande vetenskap . CERN . Tillträdesdatum: 13 januari 2016.
  27. ↑ Olycka vid Large Hadron Collider försenar experiment på obestämd tid . Elementy.ru (19 september 2008). Datum för åtkomst: 7 januari 2011. Arkiverad från originalet 23 augusti 2011.
  28. ↑ Strålar av protoner i LHC spreds till rekordenergi . Lenta.ru (30 november 2009). Hämtad: 13 augusti 2010.
  29. ↑ Kollisioner av protoner med rekordenergin 7 TeV inträffade i LHC . RIA Novosti (30 mars 2010). Hämtad 13 augusti 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  30. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: Protoner accelererade till 4 TeV för första gången .
  31. ↑ LHC satte ett rekord för strålarnas ljusstyrka . Lenta.ru (22 april 2011). Hämtad: 21 juni 2011.
  32. ↑ 1 2 Elements - vetenskapsnyheter: Higgs boson upptäckt tillkännagavs på CERN .
  33. ↑ 1 2 CERN-experiment observerar partikel som överensstämmer med länge eftersökt Higgs-boson .
  34. ↑ 1 2 Utforska Higgs-bosonen .
  35. ↑ Arbetet med protonstrålar avslutas 2010 . Elements.ru (1 november 2011). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  36. ↑ LHC går in i en ny fas CERN, 4 november 2010
  37. ↑ 1 2 element - Vetenskapsnyheter: ALICE Collaboration presenterar första data om proton-nukleära kollisioner (länk otillgänglig) . Arkiverad från originalet den 29 oktober 2012. 
  38. ↑ Nyheter om Large Hadron Collider: En session av proton-kärnkollisioner ägde rum vid LHC
  39. ↑ Igor Ivanov . CERN summerade kollideråret 2017 , Large Hadron Collider , "Elements" (2018-01-10). Hämtad 14 juni 2020.
  40. ↑ LHC-arbete 2018 . "Element". Tillträdesdatum: 14 juni 2020.
  41. ↑ En lysande framtid för LHC , CERN Courier, 23 februari 2015.
  42. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: Tioårigt projekt för att skapa nya magneter för LHC slutar med framgång .
  43. ↑ Framtida elektron-protonkollider baserad på LHC . Elementy.ru (27 augusti 2008). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  44. ↑ CERN-fysiker funderar över planen för en ny jättekollider . Mail.Ru (6 februari 2014). Datum för åtkomst: 7 februari 2014. Arkiverad från originalet 7 februari 2014.
  45. ↑ The Future Circular Collider study , CERN Courier, 28 mars 2014.
  46. ↑ Framtida cirkulär kolliderstudie
  47. ↑ LHC resultat . Elements.ru . Hämtad: 11 mars 2020.
  48. ↑ LHC-resultat 2010 . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  49. ↑ ALICE-resultat om proton-antiprotonasymmetri satte stopp för en långvarig tvist . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  50. ↑ CMS-detektor upptäcker ovanliga partikelkorrelationer . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  51. ↑ CMS-detektorn förbättrade ATLAS-begränsningen för förekomsten av kontaktinteraktioner . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  52. ↑ Liknande studier utfördes tidigare vid RHIC- kollideren , och ibland vid kollisioner vid RHIC var det möjligt att få indirekta tecken på uppkomsten av kvarg-gluonplasma , men resultaten av LHC-experimenten ser mycket mer övertygande ut.
  53. ↑ ATLAS-detektor upptäckte jet-obalans i kärnkraftskollisioner . Elements.ru . Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  54. ↑ LHCb-samarbete. Första observation av B 0 s → J/ψ f 0 (980) sönderfall // Physics Letters B. - 2011. - V. 698 , No. 2 . - S. 115-122 . - doi : 10.1016/j.physletb.2011.03.006 . - arXiv : 1102.0206 .
  55. ↑ LHCb-samarbete. Första observationen av B s → D_{s2}^{*+} X μ ν sönderfaller // Physics Letters B. - 2011. - V. 698 , nr 1 . - S. 14-20 . - doi : 10.1016/j.physletb.2011.02.039 . - arXiv : 1102.0348 .
  56. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: LHCb-detektorn ser det viktigaste ultrasällsynta sönderfallet av Bs-mesoner (otillgänglig länk) . Arkiverad från originalet den 2 februari 2013. 
  57. ↑ Första beviset för förfallet $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ . CERN dokumentserver .
  58. ↑ G. Aad et al. (ATLAS-samarbete). Observation av ett nytt χ b -tillstånd i strålningsövergångar till Υ (1 S ) och Υ (2 S ) vid ATLAS // Phys. Varv. Lett.. - 2012. - Vol. 108 (9 april). - P. 152001. - arXiv : 1112.5154 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.108.152001 .
  59. ↑ S. Chatrchyan et al. (CMS-samarbete). Observation av en ny Ξ b Baryon, Phys. Varv. Lett.. - 2012. - Vol. 108 (21 juni). - P. 252002. - arXiv : 1204.5955 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.108.252002 .
  60. ↑ R. Aaij et al. (LHCb-samarbete). Observation of Excited Baryons // Phys. Varv. Lett.. - Vol. 109. - P. 172003. - arXiv : 1205.3452 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.109.172003 .
  61. ↑ Beståndsdelar - Vetenskapsnyheter: CMS-samarbete ser korrelationer i proton-nukleära kollisioner .
  62. ↑ S. Chatrchyan et al (CMS Collaboration). Observation av vinkelkorrelationer på lång räckvidd, nära sida vid pPb-kollisioner vid LHC // Physics Letters B. - 2013. - Vol. 718, nr. 3 (8 januari). - s. 795-814. - arXiv : 1210.5482v2 . - doi : 10.1016/j.physletb.2012.11.025 .
  63. ↑ 1 2 Ny partikelliknande struktur bekräftad vid LHC . symmetrimagasin.
  64. ↑ Sökandet efter exotiska partiklar: Resultat .
  65. ↑ Mikroskopiska svarta hål är inte synliga vid LHC . Elementy.ru (16 december 2010). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  66. ↑ ATLAS-detektorn sökte men hittade inte exciterade kvarkar . Elementy.ru (19 augusti 2010). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  67. ↑ CMS Collaboration avslöjar de första resultaten på sökning efter supersymmetri . Elementy.ru (19 december 2010). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  68. ↑ Sökandet efter leptoquarks gav ett negativt resultat . Elementy.ru (26 december 2010). Hämtad 28 december 2010. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  69. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: Hypotetiska W'- och Z'-bosoner är fortfarande inte synliga .
  70. ↑ De första resultaten av LHCf-experimentet publicerade . Elements.ru . Hämtad 2 maj 2011. Arkiverad från originalet 24 augusti 2011.
  71. ↑ PhysicsResultsBPH11026 < CMSPublic < TWiki Observation av strukturer i J/psi phi spektrum i exklusiva B+ → J/psi phi K+ sönderfall vid 7 TeV: BPH-11-026 .
  72. ↑ CERN:s LHCb-experiment rapporterar observation av exotiska pentaquark-partiklar .
  73. ↑ Rincon, Paul . Large Hadron Collider upptäcker en ny pentaquark-partikel , BBC News  (1 juli 2015). Hämtad 14 juli 2015.
  74. ↑ CERN Fråga en experttjänst / Hur mycket kostar det? . CERN. Arkiverad från originalet den 24 augusti 2011.
  75. ↑ Luciano Maiani. LHC kostnadsgranskning till slutförande . CERN (16 oktober 2001). Arkiverad från originalet den 24 augusti 2011.
  76. ↑ Large Hadron Collider skapades av mer än 700 ryska fysiker . RIA Novosti .
  77. ↑ Pandoras ask öppnas . Vesti.ru (9 september 2008). Hämtad 12 september 2008.
  78. ↑ Forskare förbereder sig för att starta om LHC . Business FM (20 november 2009). Arkiverad från originalet den 24 augusti 2011.
  79. ↑ Collider - Les Horribles Cernettes .
  80. ↑ Popova Julia . Hadronkrockare från Nikola-Lenivets // Expert . - 2009. - Nr 17-18 (656). — 11 maj.
  81. ↑ Med Google Street View kan du virtuellt gå runt Large Hadron Collider . Elementy.ru (27 september 2013). Hämtad: 30 september 2013.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Tematiska platser
Ordböcker och uppslagsverk