Kaj je trk in zakaj je potreben?

100 metrov pod zemljo, na meji med Francijo in Švico, je naprava, ki lahko razkrije skrivnosti vesolja. Po mnenju nekaterih uniči vse življenje na Zemlji.

Kakorkoli že, to je največji stroj na svetu in se uporablja za preučevanje najmanjših delcev v vesolju. To je veliki hadronski trk (LHC).

Kratek opis

LHC je del projekta, ki ga vodi Evropska organizacija za jedrske raziskave (CERN). Kolider je vključen v pospeševalni kompleks CERN zunaj Ženeve v Švici in se uporablja za pospeševanje protonskih in ionskih žarkov do hitrosti, ki se približuje hitrosti svetlobe, delcev, ki trčijo med seboj in beležijo nastale dogodke. Znanstveniki upajo, da bo to pomagalo, da boste izvedeli več o nastanku vesolja in njegove sestave.

Kaj je trkanje (LHC)? To je najbolj ambiciozen in zmogljiv pospeševalnik delcev, zgrajen do danes. Na tisoče znanstvenikov iz več sto držav sodeluje in tekmuje med seboj pri iskanju novih odkritij. Za zbiranje eksperimentalnih podatkov je na obodu trkalnika na voljo 6 mest.

Odkritja, pridobljena z njim, so lahko koristna v prihodnosti, vendar to ni razlog za njeno gradnjo. Cilj velikega hadronskega trkalnika je razširiti naše znanje o vesolju. Glede na to, da je LHC vreden milijarde dolarjev in zahteva sodelovanje številnih držav, je lahko pomanjkanje praktične uporabe nepričakovano.

Zakaj je hadronski trkalnik?

V poskusu, da bi razumeli naš Univerzum, njegovo delovanje in njegovo dejansko strukturo, so znanstveniki predlagali teorijo, imenovano standardni model. Poskuša ugotoviti in razložiti temeljne delce, ki ustvarjajo svet, kot je. Model združuje elemente Einsteinova teorija relativnosti s kvantno teorijo. Upošteva tudi tri od štirih glavnih sil Univerzuma: močne in šibke jedrske interakcije in elektromagnetizem. Teorija ne zadeva četrte temeljne sile - gravitacije.

Standardni model je dal več napovedi o vesolju, ki so skladne z različnimi poskusi. Vendar obstajajo tudi drugi vidiki, ki zahtevajo potrditev. Eden od njih je teoretični delček, imenovan Higgsov bozon.

Njegovo odkritje je odgovor na vprašanja o masi. Zakaj ga ima stvar? Znanstveniki so identificirali delce, ki nimajo mase, na primer nevtrine. Zakaj ga imajo nekateri, drugi pa ne? Fiziki so ponudili veliko razlag.

Najenostavnejši je Higsov mehanizem. Ta teorija pravi, da obstaja delček in njegova ustrezna sila, ki pojasnjuje prisotnost mase. To še nikoli ni bilo opaženo, zato bi morali dogodki, ki jih je ustvaril LHC, dokazati obstoj Higgsovega bozona ali zagotoviti nove informacije.

Drugo vprašanje, ki ga znanstveniki sprašujejo, je povezano z rojstvom vesolja. Potem so bila stvar in energija ena. Po ločitvi so se delci snovi in ​​antimaterija uničili. Če bi bilo njihovo število enako, potem nič ne bi ostalo.

Ampak, na srečo za nas, je bilo več stvari v vesolju. Znanstveniki upajo, da bodo opazovali antimaterijo, medtem ko LHC deluje. To bi lahko pomagalo razumeti razlog za razliko v količini snovi in ​​antimaterije, ko se je vesolje začelo.

Temna snov

Sodobno razumevanje vesolja kaže, da je do sedaj mogoče opaziti le okoli 4% snovi, ki morajo obstajati. Gibanje galaksij in drugih nebesnih teles kaže na to, da obstaja veliko več vidne snovi.

Znanstveniki so to nedoločeno zadevo imenovali temno. Opazovana in temna snov je približno 25%. Drugi 3/4 prihaja iz hipotetične temne energije, ki prispeva k širjenju vesolja.

Znanstveniki upajo, da bodo njihovi poskusi zagotovili dodatne dokaze za obstoj temne snovi in ​​temne energije ali potrdili alternativno teorijo.

Toda to je le vrh ledene gore fizike osnovnih delcev. Obstajajo še bolj eksotične in sporne stvari, ki jih je treba razkriti in zakaj je potreben trk.

Veliki velikanski prasek

S potiskanjem protonov z dovolj veliko hitrostjo jih LHC razgradi v manjše atomske poddelke. So zelo nestabilni in pred razpadom ali rekombinacijo obstaja le delček sekunde.

Po teoriji Velikega poka so bile vse prvotno sestavljene iz snovi. Ko se je vesolje razširilo in ohladilo, sta se združila v večje delce, kot so protoni in nevtroni.

Nenavadne teorije

Če teoretični delci, antimaterija in temna energija niso dovolj eksotični, nekateri znanstveniki verjamejo, da lahko LHC dokaže obstoj drugih dimenzij. Domneva se, da je svet štiridimenzionalen (tridimenzionalni prostor in čas). Toda fiziki predpostavljajo, da lahko obstajajo druge razsežnosti, ki jih ljudje ne morejo zaznati. Na primer, ena verzija teorije nizov zahteva vsaj 11 meritev.

Pripadniki te teorije upajo, da bo LHC dokazal njihov predlagani model vesolja. Po njihovem mnenju temeljni gradniki niso delci, ampak strune. Lahko so odprte ali zaprte in vibrirajo kot kitara. Razlika v vibracijah naredi strune drugačne. Nekateri se pojavljajo v obliki elektronov, drugi pa so realizirani kot neutrini.

Kaj je kolider v številkah?

LHC je ogromen in zmogljiv dizajn. Sestavljen je iz 8 sektorjev, od katerih je vsak lok, ki je na vsakem koncu omejen z odsekom, ki se imenuje »vložek«. Obseg trka je 27 km.

Cevi za pospeševanje in komore za trčenje se nahajajo 100 metrov pod zemljo. Dostop do njih je zagotovljen s servisnim tunelom z dvigali in stopnicami, ki se nahajajo na več mestih po obodu LHC. CERN je zgradil tudi zemeljske zgradbe, kjer lahko raziskovalci zbirajo in analizirajo podatke, ki jih ustvarjajo detektorji koliderjev.

Za nadzor protonskih žarkov, ki se gibljejo s hitrostjo 99,99% hitrost svetlobe uporabljajo se magneti. Ogromne so, tehtajo nekaj ton. V LHC je okoli 9.600 magnetov. Ohladijo se na 1,9 K (-271,25 ° C). Je pod temperaturo zunanjega prostora.

Protoni v trkalniku potekajo skozi cevi z ultra visokim vakuumom. To je potrebno, da ni delcev, s katerimi bi se lahko srečali, preden dosežejo cilj. Ena sama plinska molekula lahko vodi do neuspeha eksperimenta.

Obstajajo 6 odsekov na obodu velikega trkalnika, kjer lahko inženirji izvajajo svoje poskuse. Lahko jih primerjamo z mikroskopi z digitalnim fotoaparatom. Nekateri od teh detektorjev so ogromni - ATLAS je naprava, dolga 45 metrov, visoka 25 metrov in tehta 7 ton.

LHC ima približno 150 milijonov senzorjev, ki zbirajo podatke in jih pošiljajo v računalniško omrežje. Po podatkih CERN-a je količina informacij, pridobljenih med poskusi, okoli 700 MB / s.

Očitno je, da takšen trk potrebuje veliko energije. Njegova letna poraba električne energije je približno 800 GWh. Lahko bi bila veliko večja, vendar objekt v zimskih mesecih ne deluje. CERN meni, da so stroški energije približno 19 milijonov evrov.

Protonski trk

Načelo, na katerem temelji fizika trkanja, je zelo preprosto. Najprej se sprožita dva nosilca: en v smeri urinega kazalca in drugi proti. Oba toka se pospešita do hitrosti svetlobe. Potem se pošljejo drug proti drugemu in opazujejo rezultat.

Oprema, potrebna za dosego tega, je veliko bolj zapletena. LHC je del kompleksa CERN. Preden v LHC vstopijo kakršni koli delci, že opravijo vrsto korakov.

Prvič, da bi izdelali protone, morajo znanstveniki odvzeti vodikove atome elektronov. Nato se delci pošljejo v instalacijo LINAC 2, ki jih sproži v PS pospeševalnik. Ti stroji uporabljajo spremenljivo električno polje za pospeševanje delcev. Polja, ki jih ustvarijo ogromni magneti, pomagajo držati žarke.

Ko žarek doseže želeno energije PS Booster ga usmeri na SPS super sinhrotron. Pretok se še pospešuje in je razdeljen na 2808 žarkov z 1.1 x 1011 protoni. SPS uvaja žarke v LHC v smeri urinega kazalca in v nasprotni smeri urinega kazalca.

V velikem hadronskem trkalniku se protoni še 20 minut pospešujejo. Pri maksimalni hitrosti vsako sekundo opravijo 11245 vrtljajev okoli LHC. Rays konvergirajo na enem od 6 detektorjev. Ko se to zgodi, 600 milijonov trčenj na sekundo.

Ko trčita dva protona, sta razdeljena na manjše delce, vključno s kvarkom in gluoni. Kvarkovi so zelo nestabilni in razpadejo v delcu sekunde. Detektorji zbirajo informacije s sledenjem poti subatomskih delcev in jih pošiljajo v računalniško omrežje.

Ne trčijo vsi protoni. Ostali se še naprej premikajo v odsek odvajanja žarka, kjer jih absorbira grafit.

Detektorji

Na obodu trkalnika je 6 odsekov, v katerih se zbirajo podatki in se izvajajo eksperimenti. Od tega so 4 osnovni detektorji in 2 manjša.

Največji je ATLAS. Njegove dimenzije so 46 x 25 x 25 m. Sledilnik zazna in analizira impulz delcev, ki prehajajo skozi ATLAS. Obdana je s kalorimetrom, ki meri energijo delcev in jih absorbira. Znanstveniki lahko opazujejo pot gibanja in ekstrapolirajo informacije o njih.

Detektor ATLAS ima tudi mjuonski spektrometer. Muoni so negativno nabiti delci 200-krat težji od elektronov. Edini so sposobni preiti skozi kalorimetr brez ustavljanja. Spektrometer meri gibalno vrednost vsakega muona s pomočjo senzorjev nabitih delcev. Ti senzorji lahko zaznajo nihanja v magnetnem polju ATLAS.

Kompaktni magnetni solenoid (CMS) je splošni detektor, ki zazna in meri poddelke, ki se sproščajo med trčenjem. Naprava se nahaja v ogromnem magnetnem magnetu, ki lahko ustvari magnetno polje, ki je skoraj 100 tisočkrat večje od Zemeljsko magnetno polje.

Detektor ALICE je namenjen preučevanju trkov železovih ionov. Zato se raziskovalci upajo, da bodo ustvarili podobne pogoje, kot so se pojavili takoj po Velikem poku. Pričakujejo, da se bodo ioni spremenili v mešanico kvarkov in gluonov. Glavna sestavina ALICE je TPC kamera, ki služi za proučevanje in ponovno ustvarjanje poti delcev.

LHC se uporablja za iskanje dokazov o obstoju antimaterije. To počne tako, da išče delce, ki se imenuje lepi kvark. Število poddetektorjev, ki obdajajo točko trčenja, je dolgo 20 metrov. Lahko poberejo zelo nestabilne in hitro razpadajoče delce lepih kvarkov.

Eksperiment TOTEM poteka na mestu z enim od majhnih detektorjev. Meri velikost protonov in svetilnost LHC, kar kaže na točnost ustvarjanja trka.

Poskus LHC simulira kozmične žarke v nadzorovanem okolju. Njegov namen je pomagati pri razvoju obsežnih študij realnih kozmičnih žarkov.

Skupina raziskovalcev, ki šteje od nekaj deset do več kot tisoč znanstvenikov, dela na vsaki lokaciji odkrivanja.

Obdelava podatkov

Ni presenetljivo, da takšen trk povzroča ogromen tok podatkov. 15.000.000 GB, ki jih letno prejmejo detektorji LHC, predstavlja velik izziv za raziskovalce. Njegova rešitev je računalniško omrežje, sestavljeno iz računalnikov, od katerih je vsak sposoben samostojno analizirati podatke. Takoj, ko računalnik zaključi analizo, pošlje rezultate centralnemu računalniku in prejme novo serijo.

Znanstveniki iz CERN-a so se odločili, da se osredotočijo na uporabo relativno poceni opreme za izvajanje svojih izračunov. Namesto nakupa naprednih strežnikov in procesorjev se uporablja obstoječa strojna oprema, ki lahko dobro deluje v omrežju. Mreža računalnikov bo s pomočjo posebne programske opreme lahko shranjevala in analizirala podatke iz vsakega poskusa.

Nevarnost za planet?

Nekateri se bojijo, da lahko tako močan trk predstavlja nevarnost za življenje na Zemlji, vključno s sodelovanjem pri oblikovanju črnih lukenj, »čudnih snovi«, magnetnih monopolov, sevanja itd.

Znanstveniki dosledno zavračajo take trditve. Oblikovanje črne luknje je nemogoče, saj obstaja velika razlika med protoni in zvezdami. "Strange materije" bi lahko nastale že zdavnaj pod vplivom kozmičnih žarkov, nevarnost teh hipotetičnih formacij pa je močno pretirana.

Trkalnik je izjemno varen: ločen je od površine s 100-metrsko plastjo tal, osebje pa med poskusi ni dovoljeno biti pod zemljo.