№21 Всесвіт і великий адронний коллайдер
Відео: Пристрасті по частинкам Великий Адронний Коллайдер tru su 720p 2017
Коллайдер побудований в ЦЕРНі (Європейська рада ядерних досліджень), що знаходиться близько Женеви, на кордоні Швейцарії та Франції.
Коллайдер є найбільшою експериментальною установкою в світі. У будівництві та дослідженнях брали участь і беруть участь понад 10 тисяч вчених і інженерів з більш ніж 100 країн.
«Великим» названий через свої розміри: довжина основного кільця прискорювача складає 26 659 м- «адронним» - через те, що він прискорює адрони, тобто важкі частинки, що складаються з кварков- «колайдером» - через те , що пучки частинок прискорюються в протилежних напрямках і стикаються в спеціальних точках зіткнення.
Поставлені завдання
Пошук Нової фізики
Стандартна модель не може вважатися остаточною теорією елементарних частинок. Вона повинна бути частиною якоїсь більш глибокої теорії будови мікросвіту, тією частиною, яку видно в експериментах на колайдерах при енергіях нижче приблизно 1 ТеВ. Такі теорії колективно називають «Нова фізика» або «За межами Стандартної моделі». Головне завдання Великого адронного коллайдера - отримати хоча б перші натяки на те, що це більш глибока теорія.
Для подальшого об`єднання фундаментальних взаємодій в одній теорії використовуються різні підходи: теорія струн, що отримала свій розвиток в М-теорії (теорії бран), теорія супергравітації, петлевая квантова гравітація і ін. Деякі з них мають внутрішні проблеми, і ні в однієї з них немає експериментального підтвердження. Проблема в тому, що для проведення відповідних експериментів потрібні енергії, недосяжні на сучасних прискорювачах заряджених частинок.
Коллайдер дозволить провести експерименти, які раніше були неможливі і, ймовірно, підтвердить або спростує частина цих теорій.
Так, існує цілий спектр фізичних теорій з размерностями більше чотирьох, які припускають існування «суперсиметрії» - наприклад, теорія струн, яку іноді називають теорією суперструн саме через те, що без суперсиметрії вона втрачає фізичний зміст. Підтвердження існування суперсиметрії, таким чином, буде непрямим підтвердженням істинності цих теорій.
Вивчення топ-кварків
Топ-кварк - найважчий кварк і, більш того, це найважча з відкритих поки елементарних частинок.
Через свою велику масу топ-кварк до цих пір спостерігався поки лише на одному прискорювачі - Теватрон, на інших прискорювачах просто не вистачало енергії для його народження. Крім того, топ-кварки цікавлять фізиків не тільки самі по собі, але і як «робочий інструмент» для вивчення бозона Хіггса.
Вивчення механізму електрослабкої симетрії
Однією з основних цілей проекту є експериментальне підтвердження існування бозона Хіггса - частинки, передбаченої шотландським фізиком Пітером Хіггсом в 1964 році в рамках Стандартної моделі.
Пошук суперсиметрії
Першим значним науковим досягненням експериментів на колайдері може стати доказ або спростування «суперсиметрії» - теорії, яка говорить, що будь-яка елементарна частинка має набагато більш важкого партнера, або «суперчастіцу».
Технічні характеристики
У прискорювачі передбачається зіштовхувати протони з сумарною енергією 14 ТеВ (тобто 14 тераелектронвольт або 14 · 1012 електронвольт) в системі центру мас налітають частинок, а також ядра свинцю з енергією 5 ГеВ (5 · 109електронвольт) на кожну пару зіштовхуються нуклонів.
Відео: 2009-11-21 Постскріптум.Запуск БАК.mp4
На початок 2010 року колайдер уже кілька перевершив по енергії протонів попереднього рекордсмена - протон-антипротонний коллайдер Теватрон, який до кінця 2011 року працював в Національної прискорювальної лабораторії ім. Енріко Фермі (США).
Незважаючи на те, що налагодження устаткування розтягується на роки і ще не завершена, Великий адронний коллайдер вже став самим високоенергічних прискорювачем елементарних частинок у світі, на порядок перевершуючи по енергії інші колайдери, в тому числі і релятивістський коллайдер важких іонів RHIC, що працює в Брукхейвенської лабораторії (США).
Швидкість часток у Великому адронному колайдері на зустрічних пучках близька до швидкості світла у вакуумі. Розгін частинок до таких високих енергій досягається в кілька етапів.
Споживання енергії
Під час роботи коллайдера розрахункове споживання енергії складе 180 МВт. Можливі енерговитрати всього ЦЕРН на 2009 рік з урахуванням працюючого коллайдера - 1000 ГВт · год, з яких 700 ГВт · год доведеться на частку прискорювача.
Ці енерговитрати - близько 10% від сумарного річного енергоспоживання кантону Женева. Сам ЦЕРН не виробляє енергію, маючи лише резервні дизельні генератори.
наукові результати
Завдяки більшій енергії в порівнянні з попередніми коллайдер, БАК дозволив «заглянути» в недоступну раніше область енергій і отримати наукові результати, які накладають обмеження на ряд теоретичних моделей.
Короткий перелік наукових результатів, отриманих на колайдері:
- відкритий Бозон Хіггса (ми вже писали про нього)
- підтверджено існування топ-кварка, раніше спостерігався тільки на Теватрон;
- відкриті нові, теоретично передбачені частки
- отримані перші дані протон-іонних зіткнень на рекордній енергії, виявлені кутові кореляції, раніше спостерігалися в протон-протонних зіткненнях
- оголошено про спостереження частинки Y (4140), раніше спостерігалася лише на Теватрон в 2009 р
Відео: Викривлення простору і часу - Великий адронний коллайдер
фінансування проекту
У 2001 році очікувалося, що загальна вартість проекту складе близько 4,6 млрд швейцарських франків (3 млрд євро) за сам прискорювач (без детекторів) і 1,1 млрд швейцарських франків (700 млн євро) складе частка ЦЕРН в проведенні експериментів (тобто в будівництві та обслуговуванні детекторів).
Будівництво ВАК було схвалено в 1995 році з бюджетом 2,6 млрд швейцарських франків (1,6 млрд євро) і додатковими 210 млн швейцарських франків (140 млн євро) на експерименти.
У 2001 році ці витрати були збільшені на 480 млн франків (300 млн євро) в частині прискорювача і 50 млн франків (30 млн євро) в частині експериментів (витрати, пов`язані безпосередньо до ЦЕРН), що внаслідок скорочення бюджету ЦЕРН призвело до зсуву планованих термінів введення з 2005 року на квітень 2007 року.
Бюджет проекту станом на листопад 2009 року склав 6 млрд дол. - стільки було інвестовано в будівництво установки, яке тривало сім років.
Науково-популярні фільми
- «BBC: Машина Великого Вибуху» (англ. The Big Bang Machine) - науково-популярний фільм, 2008 рік.
- «BBC. Horizon: Полювання за бозоном Хіггса - спецвипуск »/ (англ. The Hunt for the Higgs - A Horizon Special) - науково-популярний фільм, 2012 рік.
