Die Entstehungsgeschichte des Beschleunigers, den wir heute als Large Hadron Collider kennen, reicht bis ins Jahr 2007 zurück. Die Chronologie der Beschleuniger begann zunächst mit dem Zyklotron. Das Gerät war ein kleines Gerät, das problemlos auf den Tisch passte. Dann begann sich die Geschichte der Beschleuniger rasant zu entwickeln. Das Synchrophasotron und das Synchrotron erschienen.
Der vielleicht interessanteste Zeitraum in der Geschichte war der Zeitraum von 1956 bis 1957. Damals blieb die sowjetische Wissenschaft, insbesondere die Physik, nicht hinter ihren ausländischen Brüdern zurück. Dank jahrelanger Erfahrung gelang einem sowjetischen Physiker namens Wladimir Veksler ein Durchbruch in der Wissenschaft. Er schuf das damals leistungsstärkste Synchrophasotron. Seine Betriebsleistung betrug 10 Gigaelektronenvolt (10 Milliarden Elektronenvolt). Nach dieser Entdeckung wurden ernsthafte Proben von Beschleunigern geschaffen: der große Elektron-Positron-Beschleuniger, der Schweizer Beschleuniger, in Deutschland, den USA. Sie alle hatten ein gemeinsames Ziel – die Erforschung der fundamentalen Teilchen der Quarks.
Der Large Hadron Collider wurde vor allem dank der Bemühungen eines italienischen Physikers geschaffen. Sein Name ist Carlo Rubbia, Nobelpreisträger. Während seiner Karriere arbeitete Rubbia als Direktor bei der Europäischen Organisation für Kernforschung. Es wurde beschlossen, auf dem Gelände des Forschungszentrums einen Hadronenbeschleuniger zu bauen und zu starten.
Wo ist der Hadronenbeschleuniger?
Der Collider befindet sich an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich. Sein Umfang beträgt 27 Kilometer, weshalb er als groß bezeichnet wird. Der Beschleunigerring geht in eine Tiefe von 50 bis 175 Metern. Der Collider verfügt über 1232 Magnete. Sie sind supraleitend und können daher zur Herstellung verwendet werden maximales Feld zur Beschleunigung, da bei solchen Magneten praktisch kein Energieverbrauch anfällt. Das Gesamtgewicht jedes Magneten beträgt 3,5 Tonnen bei einer Länge von 14,3 Metern.
Wie jedes physische Objekt erzeugt der Large Hadron Collider Wärme. Daher muss es ständig gekühlt werden. Um dies zu erreichen, wird die Temperatur mit 12 Millionen Litern flüssigem Stickstoff auf 1,7 K gehalten. Darüber hinaus werden 700.000 Liter zur Kühlung verwendet, und vor allem wird ein Druck verwendet, der zehnmal niedriger ist als der normale Atmosphärendruck.
Eine Temperatur von 1,7 K auf der Celsius-Skala entspricht -271 Grad. Diese Temperatur liegt fast nahe an der sogenannten minimal möglichen Grenze, die ein physischer Körper haben kann.
Das Innere des Tunnels ist nicht weniger interessant. Es gibt Niob-Titan-Kabel mit supraleitenden Eigenschaften. Ihre Länge beträgt 7600 Kilometer. Das Gesamtgewicht der Kabel beträgt 1200 Tonnen. Das Innere des Kabels ist ein Geflecht aus 6.300 Drähten mit einer Gesamtlänge von 1,5 Milliarden Kilometern. Diese Länge entspricht 10 astronomischen Einheiten. Entspricht beispielsweise 10 solcher Einheiten.
Wenn wir über seine geografische Lage sprechen, können wir sagen, dass die Ringe des Colliders zwischen den Städten Saint-Genis und Forney-Voltaire auf französischer Seite sowie Meyrin und Vessourat auf Schweizer Seite liegen. Entlang des Durchmessers der Umrandung verläuft ein kleiner Ring namens PS.
Der Sinn der Existenz
Um die Frage „Wozu dient ein Hadronenbeschleuniger“ zu beantworten, müssen Sie sich an Wissenschaftler wenden. Viele Wissenschaftler sagen, dass dies die größte Erfindung in der gesamten Geschichte der Wissenschaft ist und dass die Wissenschaft, wie wir sie heute kennen, ohne sie einfach keine Bedeutung hat. Die Existenz und der Start des Large Hadron Collider sind interessant, da es zu einer Explosion kommt, wenn Teilchen im Hadron Collider kollidieren. Alle kleinsten Teilchen streuen in verschiedene Richtungen. Es entstehen neue Teilchen, die die Existenz und Bedeutung vieler Dinge erklären können.
Das erste, was Wissenschaftler in diesen abgestürzten Teilchen zu finden versuchten, war ein vom Physiker Peter Higgs theoretisch vorhergesagtes Elementarteilchen mit dem Namen „Dieses erstaunliche Teilchen ist vermutlich ein Informationsträger“. Es wird allgemein auch als „Teilchen Gottes“ bezeichnet. Seine Entdeckung würde Wissenschaftlern näher zum Verständnis des Universums bringen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Hadron Collider (sein Start war teilweise erfolgreich) am 4. Juli 2012 zur Entdeckung eines ähnlichen Teilchens beitrug. Heute versuchen Wissenschaftler, es genauer zu untersuchen.
Wie lange...
Da stellt sich natürlich sofort die Frage: Warum beschäftigen sich Wissenschaftler schon so lange mit diesen Teilchen? Wenn Sie über ein Gerät verfügen, können Sie es ausführen und jedes Mal mehr und mehr Daten erfassen. Tatsache ist, dass der Betrieb eines Hadronenbeschleunigers eine teure Angelegenheit ist. Ein Start kostet viel Geld. Der jährliche Energieverbrauch beträgt beispielsweise 800 Millionen kWh. Diese Energiemenge wird im Durchschnitt von einer Stadt mit etwa 100.000 Einwohnern verbraucht. Und darin sind die Wartungskosten noch nicht enthalten. Ein weiterer Grund ist, dass beim Hadronenbeschleuniger die Explosion, die beim Zusammenstoß von Protonen auftritt, mit der Produktion von verbunden ist großes Volumen Daten: Computer lesen so viele Informationen, dass sie benötigt werden große Zahl Zeit. Auch wenn die Leistung von Computern, die Informationen empfangen, selbst nach heutigen Maßstäben groß ist.
Der nächste Grund ist nicht weniger bekannt. Wissenschaftler, die mit dem Collider in dieser Richtung arbeiten, sind zuversichtlich, dass das sichtbare Spektrum des gesamten Universums nur 4 % beträgt. Es wird angenommen, dass es sich bei den übrigen um Dunkle Materie und Dunkle Energie handelt. Sie versuchen experimentell zu beweisen, dass diese Theorie richtig ist.
Hadron Collider: dafür oder dagegen
Die aufgestellte Theorie der Dunklen Materie hat Zweifel an der Sicherheit des Hadronenbeschleunigers aufkommen lassen. Es stellte sich die Frage: „Hadron Collider: dafür oder dagegen?“ Er beunruhigte viele Wissenschaftler. Alle großen Geister der Welt werden in zwei Kategorien eingeteilt. „Gegner“ vertreten eine interessante Theorie, dass, wenn eine solche Materie existiert, es ein ihr entgegengesetztes Teilchen geben muss. Und wenn Teilchen im Beschleuniger kollidieren, entsteht ein dunkler Teil. Es bestand die Gefahr, dass der dunkle Teil und der Teil, den wir sehen, kollidieren würden. Dann könnte dies zum Tod des gesamten Universums führen. Nach dem ersten Start des Hadronenbeschleunigers wurde diese Theorie jedoch teilweise widerlegt.
Als nächstes kommt die Explosion des Universums, oder besser gesagt die Geburt. Es wird angenommen, dass man bei einer Kollision beobachten kann, wie sich das Universum in den ersten Sekunden seiner Existenz verhält. Die Art, wie sie sich um die Herkunft kümmerte Urknall. Es wird angenommen, dass der Prozess der Teilchenkollisionen dem sehr ähnlich ist, der zu Beginn des Universums stattfand.
Eine weitere ebenso fantastische Idee, die Wissenschaftler testen, sind exotische Modelle. Es scheint unglaublich, aber es gibt eine Theorie, die besagt, dass es andere Dimensionen und Universen mit Menschen gibt, die uns ähnlich sind. Und seltsamerweise kann das Gaspedal auch hier helfen.
Einfach ausgedrückt besteht der Zweck des Beschleunigers darin, zu verstehen, was das Universum ist, wie es entstanden ist, und alle bestehenden Theorien über Teilchen und verwandte Phänomene zu beweisen oder zu widerlegen. Natürlich wird das Jahre dauern, aber mit jedem Start werden neue Entdeckungen gemacht, die die Welt der Wissenschaft revolutionieren.
Fakten zum Beschleuniger
Jeder weiß, dass ein Beschleuniger Teilchen auf 99 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, aber nicht viele wissen, dass dieser Prozentsatz 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit beträgt. Diese erstaunliche Figur macht dank des perfekten Designs und der leistungsstarken Beschleunigungsmagnete Sinn. Es gibt auch einige weniger bekannte Fakten zu beachten.
Die rund 100 Millionen Datenströme, die von jedem der beiden Hauptdetektoren kommen, könnten in Sekundenschnelle mehr als 100.000 CD-ROMs füllen. In nur einem Monat würde die Anzahl der Scheiben eine solche Höhe erreichen, dass sie gestapelt ausreichen würden, um den Mond zu erreichen. Daher wurde beschlossen, nicht alle Daten zu sammeln, die von den Detektoren stammen, sondern nur diejenigen, die vom Datenerfassungssystem verwendet werden dürfen, das tatsächlich als Filter für die empfangenen Daten fungiert. Es wurde beschlossen, nur 100 Ereignisse aufzuzeichnen, die zum Zeitpunkt der Explosion stattfanden. Diese Ereignisse werden im Archiv des Rechenzentrums des Large Hadron Collider aufgezeichnet, das sich im Europäischen Labor für Teilchenphysik befindet, wo sich auch der Beschleuniger befindet. Es werden nicht die aufgezeichneten Ereignisse aufgezeichnet, sondern diejenigen, die für die wissenschaftliche Gemeinschaft von größtem Interesse sind.
Nachbearbeitung
Nach der Aufzeichnung werden Hunderte Kilobyte an Daten verarbeitet. Zu diesem Zweck werden mehr als zweitausend Computer am CERN genutzt. Die Aufgabe dieser Computer besteht darin, Primärdaten zu verarbeiten und daraus eine Datenbank zu erstellen, die für die weitere Analyse geeignet ist. Als nächstes wird der generierte Datenfluss an das GRID-Computernetzwerk gesendet. Dieses Internet-Netzwerk vereint Tausende von Computern in verschiedenen Instituten auf der ganzen Welt und verbindet mehr als hundert Hauptzentren die sich auf drei Kontinenten befinden. Alle diese Zentren sind für maximale Datenübertragungsgeschwindigkeiten über Glasfaser mit dem CERN verbunden.
Apropos Fakten, wir müssen auch erwähnen physikalische Indikatoren Gebäude. Der Beschleunigertunnel weicht um 1,4 % von der horizontalen Ebene ab. Dies geschah in erster Linie, um zu platzieren die meisten Beschleunigertunnel in monolithisches Gestein. Dadurch ist die Platzierungstiefe auf gegenüberliegenden Seiten unterschiedlich. Wenn wir von der Seite des Sees aus zählen, der in der Nähe von Genf liegt, beträgt die Tiefe 50 Meter. Der gegenüberliegende Teil hat eine Tiefe von 175 Metern.
Das Interessante ist das Mondphasen das Gaspedal beeinflussen. Es scheint, wie ein so weit entferntes Objekt einen Einfluss auf eine solche Entfernung haben kann. Es wurde jedoch beobachtet, dass bei Vollmond, wenn die Flut auftritt, das Land im Raum Genf um bis zu 25 Zentimeter ansteigt. Dies wirkt sich auf die Länge des Colliders aus. Dadurch vergrößert sich die Länge um 1 Millimeter und auch die Strahlenergie ändert sich um 0,02 %. Da die Strahlenergie bis auf 0,002 % kontrolliert werden muss, müssen Forscher dieses Phänomen berücksichtigen.
Interessant ist auch, dass der Collider-Tunnel die Form eines Achtecks hat und nicht eines Kreises, wie viele es sich vorstellen. Ecken entstehen durch kurze Abschnitte. Sie enthalten installierte Detektoren sowie ein System, das den Strahl beschleunigender Teilchen steuert.
Struktur
Der Hadron Collider, dessen Start viele Teile umfasst und bei Wissenschaftlern für große Aufregung sorgt, ist ein erstaunliches Gerät. Der gesamte Beschleuniger besteht aus zwei Ringen. Der kleine Ring wird Protonensynchrotron oder, um seine Abkürzungen zu verwenden, PS genannt. Der Große Ring ist das Super Proton Synchrotron oder SPS. Zusammen ermöglichen die beiden Ringe eine Beschleunigung der Teile auf 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit. Gleichzeitig erhöht der Collider auch die Energie der Protonen, sodass sich deren Gesamtenergie um das 16-fache erhöht. Außerdem können Teilchen etwa 30 Millionen Mal pro Sekunde miteinander kollidieren. innerhalb von 10 Stunden. Die 4 Hauptdetektoren produzieren mindestens 100 Terabyte digitale Daten pro Sekunde. Die Datenbeschaffung wird durch individuelle Faktoren bestimmt. Sie können beispielsweise Elementarteilchen nachweisen, die eine negative elektrische Ladung haben und zudem einen halben Spin haben. Da diese Teilchen instabil sind, ist ihr direkter Nachweis nicht möglich; es ist nur möglich, ihre Energie zu erfassen, die in einem bestimmten Winkel zur Strahlachse emittiert wird. Diese Phase wird als erste Startebene bezeichnet. Diese Phase wird von mehr als 100 speziellen Datenverarbeitungskarten überwacht, die über eine integrierte Implementierungslogik verfügen. Dieser Teil der Arbeit zeichnet sich dadurch aus, dass während des Datenerfassungszeitraums mehr als 100.000 Datenblöcke pro Sekunde ausgewählt werden. Diese Daten werden dann für die Analyse verwendet, die mithilfe eines übergeordneten Mechanismus erfolgt.
Systeme auf der nächsten Ebene hingegen empfangen Informationen von allen Detektor-Threads. Software Der Detektor funktioniert im Netzwerk. Dort wird eine große Anzahl von Computern eingesetzt, um aufeinanderfolgende Datenblöcke zu verarbeiten. Die durchschnittliche Zeit zwischen den Blöcken beträgt 10 Mikrosekunden. Programme müssen Partikelmarkierungen erstellen, die den ursprünglichen Punkten entsprechen. Das Ergebnis wird ein generierter Datensatz sein, der aus Impuls, Energie, Flugbahn und anderen Daten besteht, die während eines Ereignisses entstanden sind.
Beschleunigerteile
Der gesamte Beschleuniger kann in 5 Hauptteile unterteilt werden:
1) Elektron-Positron-Kollider-Beschleuniger. Der Teil besteht aus etwa 7.000 Magneten mit supraleitenden Eigenschaften. Mit ihrer Hilfe wird der Strahl durch einen kreisförmigen Tunnel geleitet. Außerdem konzentrieren sie den Strahl zu einem Strahl, dessen Breite auf die Breite eines Haares reduziert wird.
2) Kompaktes Myon-Solenoid. Dies ist ein Detektor für allgemeiner Zweck. Ein solcher Detektor dient der Suche nach neuen Phänomenen und beispielsweise der Suche nach Higgs-Teilchen.
3) LHCb-Detektor. Die Bedeutung dieses Geräts besteht in der Suche nach Quarks und ihren Gegenteilchen – Antiquarks.
4) Ringkerninstallation ATLAS. Dieser Detektor dient zur Detektion von Myonen.
5) Alice. Dieser Detektor erfasst Bleiionenkollisionen und Proton-Proton-Kollisionen.
Probleme beim Start des Hadron Collider
Trotz der Tatsache, dass die Anwesenheit Hochtechnologie schließt die Möglichkeit von Fehlern aus; in der Praxis ist alles anders. Bei der Montage des Beschleunigers kam es zu Verzögerungen und Ausfällen. Es muss gesagt werden, dass diese Situation nicht unerwartet war. Das Gerät enthält so viele Nuancen und erfordert eine solche Präzision, dass Wissenschaftler ähnliche Ergebnisse erwarteten. Eines der Probleme, mit denen Wissenschaftler während des Starts konfrontiert waren, war beispielsweise der Ausfall des Magneten, der die Protonenstrahlen unmittelbar vor ihrer Kollision fokussierte. Ursache dieses schweren Unfalls war die Zerstörung eines Teils der Befestigung durch den Verlust der Supraleitung des Magneten.
Dieses Problem trat im Jahr 2007 auf. Aus diesem Grund wurde der Start des Colliders mehrmals verschoben und erst im Juni erfolgte der Start, fast ein Jahr später;
Der jüngste Start des Colliders war erfolgreich und sammelte viele Terabyte an Daten.
Der am 5. April 2015 gestartete Hadron Collider ist erfolgreich im Betrieb. Im Laufe eines Monats werden die Strahlen durch den Ring gefahren und steigern dabei sukzessive ihre Leistung. Es gibt keinen Zweck für die Studie als solche. Die Kollisionsenergie des Strahls wird erhöht. Der Wert wird von 7 TeV auf 13 TeV angehoben. Ein solcher Anstieg wird es uns ermöglichen, neue Möglichkeiten bei Teilchenkollisionen zu erkennen.
Im Jahr 2013 und 2014 Es fanden ernsthafte technische Inspektionen von Tunneln, Beschleunigern, Detektoren und anderen Geräten statt. Das Ergebnis waren 18 bipolare Magnete mit supraleitender Funktion. Es ist zu beachten, dass ihre Gesamtzahl 1232 Stück beträgt. Die übrigen Magnete blieben jedoch nicht unbemerkt. Im Übrigen wurden die Kühlschutzsysteme ausgetauscht und verbesserte eingebaut. Auch das magnetische Kühlsystem wurde verbessert. Dadurch können sie bleiben niedrige Temperaturen mit maximaler Leistung.
Wenn alles gut geht, wird der nächste Start des Beschleunigers erst in drei Jahren erfolgen. Nach diesem Zeitraum sind geplante Arbeiten zur Verbesserung und technischen Überprüfung des Colliders geplant.
Es ist zu beachten, dass Reparaturen ohne Berücksichtigung der Kosten einen hübschen Cent kosten. Der Hadron Collider hat im Jahr 2010 einen Preis von 7,5 Milliarden Euro. Mit dieser Zahl steht das Gesamtprojekt auf Platz eins der Liste der teuersten Projekte der Wissenschaftsgeschichte.
100 Meter unter der Erde, an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz, befindet sich ein Gerät, das die Geheimnisse des Universums enthüllen kann. Oder, sagen einige, alles Leben auf der Erde zerstören.
Auf jeden Fall ist dies die größte Maschine der Welt und wird zur Untersuchung der kleinsten Teilchen im Universum verwendet. Dies ist der Large Hadron (nicht Android) Collider (LHC).
Kurze Beschreibung
Der LHC ist Teil eines Projekts unter der Leitung der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN). Der Collider ist Teil des CERN-Beschleunigerkomplexes außerhalb von Genf in der Schweiz und dient dazu, Protonen- und Ionenstrahlen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, dabei Teilchen ineinander zu schlagen und die daraus resultierenden Ereignisse aufzuzeichnen. Wissenschaftler hoffen, dass dies dazu beitragen wird, mehr über den Ursprung des Universums und seine Zusammensetzung zu erfahren.
Was ist ein Collider (LHC)? Es ist der ehrgeizigste und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der bisher gebaut wurde. Tausende Wissenschaftler aus Hunderten von Ländern arbeiten zusammen und konkurrieren miteinander auf der Suche nach neuen Entdeckungen. Um experimentelle Daten zu sammeln, sind 6 Abschnitte entlang des Umfangs des Colliders angeordnet.
Die damit gemachten Entdeckungen mögen in der Zukunft nützlich sein, aber das ist nicht der Grund für seine Konstruktion. Der Zweck des Large Hadron Collider besteht darin, unser Wissen über das Universum zu erweitern. Angesichts der Tatsache, dass der LHC Milliarden von Dollar kostet und die Zusammenarbeit vieler Länder erfordert, fehlt es praktische Anwendung kann unerwartet sein.
Wozu dient der Hadron Collider?
Um unser Universum, seine Funktionsweise und tatsächliche Struktur zu verstehen, haben Wissenschaftler eine Theorie namens Standardmodell vorgeschlagen. Es versucht, die grundlegenden Teilchen zu identifizieren und zu erklären, die die Welt zu dem machen, was sie ist. Das Modell kombiniert Elemente von Einsteins Relativitätstheorie mit der Quantentheorie. Es berücksichtigt auch drei der vier Grundkräfte des Universums: starke und schwache Kernkräfte und Elektromagnetismus. Die Theorie betrifft nicht die vierte Grundkraft – die Schwerkraft.
Das Standardmodell hat mehrere Vorhersagen über das Universum gemacht, die mit verschiedenen Experimenten übereinstimmen. Aber es gibt noch andere Aspekte, die einer Bestätigung bedürfen. Eines davon ist ein theoretisches Teilchen namens Higgs-Boson.
Seine Entdeckung beantwortet Fragen zur Masse. Warum hat die Materie es? Wissenschaftler haben Teilchen identifiziert, die keine Masse haben, beispielsweise Neutrinos. Warum haben manche Menschen es und andere nicht? Physiker haben viele Erklärungen geliefert.
Der einfachste davon ist der Higgs-Mechanismus. Diese Theorie besagt, dass es ein Teilchen und eine entsprechende Kraft gibt, die das Vorhandensein von Masse erklärt. Da es noch nie zuvor beobachtet worden war, würden die vom LHC erzeugten Ereignisse entweder die Existenz des Higgs-Bosons beweisen oder neue Informationen liefern.
Eine weitere Frage, die Wissenschaftler stellen, betrifft den Ursprung des Universums. Dann waren Materie und Energie eins. Nach ihrer Trennung zerstörten sich die Teilchen der Materie und der Antimaterie gegenseitig. Wenn ihre Zahl gleich wäre, wäre nichts mehr übrig.
Aber zum Glück gab es im Universum mehr Materie. Wissenschaftler hoffen, während des LHC-Betriebs Antimaterie beobachten zu können. Dies könnte helfen, den Grund für den Unterschied in der Menge an Materie und Antimaterie zu verstehen, als das Universum begann.
Dunkle Materie
Unser derzeitiges Verständnis des Universums legt nahe, dass derzeit nur etwa 4 % der Materie, die existieren sollte, beobachtbar ist. Die Bewegung von Galaxien und anderen Himmelskörpern lässt darauf schließen, dass es viel mehr sichtbare Materie gibt.
Wissenschaftler nannten diese vage Materie dunkle Materie. Beobachtbare und Dunkle Materie machen etwa 25 % aus. Die anderen 3/4 stammen aus hypothetischer dunkler Energie, die zur Expansion des Universums beiträgt.
Wissenschaftler hoffen, dass ihre Experimente entweder weitere Beweise für die Existenz dunkler Materie und dunkler Energie liefern oder eine alternative Theorie bestätigen.
Aber das ist nur die Spitze des Eisbergs der Teilchenphysik. Es gibt noch exotischere und kontroversere Dinge, die enthüllt werden müssen, und dafür ist der Collider gedacht.
Urknall im Mikromaßstab
Durch die Kollision von Protonen mit ausreichend hoher Geschwindigkeit zerlegt der LHC sie in kleinere atomare Teilteilchen. Sie sind sehr instabil und dauern nur den Bruchteil einer Sekunde, bevor sie zerfallen oder sich neu verbinden.
Nach der Urknalltheorie bestand ursprünglich alle Materie aus ihnen. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, verbanden sie sich zu größeren Teilchen wie Protonen und Neutronen.
Ungewöhnliche Theorien
Wenn die theoretischen Teilchen Antimaterie und Dunkle Energie nicht exotisch genug wären, glauben einige Wissenschaftler, dass der LHC Beweise für die Existenz anderer Dimensionen liefern könnte. Es ist allgemein anerkannt, dass die Welt vierdimensional ist (dreidimensionaler Raum und Zeit). Aber Physiker vermuten, dass es noch andere Dimensionen geben könnte, die der Mensch nicht wahrnehmen kann. Beispielsweise erfordert eine Version der Stringtheorie mindestens 11 Dimensionen.
Anhänger dieser Theorie hoffen, dass der LHC Beweise für ihr vorgeschlagenes Modell des Universums liefern wird. Ihrer Meinung nach grundlegend Bausteine sind keine Teilchen, sondern Strings. Sie können offen oder geschlossen sein und wie Gitarren vibrieren. Der Unterschied in der Schwingung macht die Saiten unterschiedlich. Einige manifestieren sich in Form von Elektronen, während andere als Neutrinos realisiert werden.
Was ist ein Collider in Zahlen?
Der LHC ist ein riesiges und leistungsstarkes Bauwerk. Es besteht aus 8 Sektoren, von denen jeder ein Bogen ist und an jedem Ende durch einen Abschnitt namens „Einsatz“ begrenzt wird. Der Umfang des Colliders beträgt 27 km.
Die Beschleunigerrohre und Kollisionskammern liegen 100 Meter unter der Erde. Der Zugang zu ihnen erfolgt über einen Servicetunnel mit Aufzügen und Treppen, die sich an mehreren Stellen entlang des LHC-Umfangs befinden. Das CERN hat auch oberirdische Gebäude gebaut, in denen Forscher die von den Detektoren des Colliders erzeugten Daten sammeln und analysieren können.
Magnete werden verwendet, um Protonenstrahlen zu steuern, die sich mit 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie sind riesig und wiegen mehrere Tonnen. Der LHC verfügt über etwa 9.600 Magnete. Sie kühlen auf 1,9 K (-271,25 °C) ab. Dies liegt unter der Temperatur des Weltraums.
Protonen im Inneren des Colliders passieren Ultrahochvakuumröhren. Dies ist notwendig, damit es keine Partikel gibt, mit denen sie kollidieren könnten, bevor sie ihr Ziel erreichen. Ein einzelnes Gasmolekül kann dazu führen, dass ein Experiment scheitert.
Auf dem Kreis großer Collider Es gibt 6 Bereiche, in denen Ingenieure ihre Experimente durchführen können. Sie sind vergleichbar mit Mikroskopen mit Digitalkamera. Einige dieser Detektoren sind riesig – ATLAS ist ein Gerät mit einer Länge von 45 m, einer Höhe von 25 m und einem Gewicht von 7 Tonnen.
Der LHC verfügt über rund 150 Millionen Sensoren, die Daten sammeln und an das Computernetzwerk senden. Laut CERN beträgt die bei Experimenten gewonnene Informationsmenge etwa 700 MB/s.
Offensichtlich benötigt ein solcher Collider viel Energie. Sein jährlicher Stromverbrauch beträgt etwa 800 GWh. Es könnte deutlich größer sein, allerdings ist die Anlage in den Wintermonaten nicht geöffnet. Laut CERN belaufen sich die Energiekosten auf etwa 19 Millionen Euro.
Protonenkollision
Das Prinzip der Collider-Physik ist recht einfach. Zunächst werden zwei Strahlen gestartet: einer im Uhrzeigersinn und der zweite gegen den Uhrzeigersinn. Beide Ströme beschleunigen auf Lichtgeschwindigkeit. Dann werden sie aufeinander gerichtet und das Ergebnis beobachtet.
Die zur Erreichung dieses Ziels erforderliche Ausrüstung ist wesentlich komplexer. Der LHC ist Teil des CERN-Komplexes. Bevor Teilchen in den LHC gelangen, durchlaufen sie bereits eine Reihe von Schritten.
Um Protonen zu erzeugen, müssen Wissenschaftler zunächst Wasserstoffatome von Elektronen befreien. Die Partikel werden dann zum LINAC 2 geschickt, der sie in den PS Booster-Beschleuniger schleust. Diese Maschinen nutzen ein elektrisches Wechselfeld, um Teilchen zu beschleunigen. Die von riesigen Magneten erzeugten Felder helfen dabei, die Strahlen zu halten.
Wenn der Strahl das gewünschte Energieniveau erreicht, leitet ihn der PS-Booster zum SPS-Supersynchrotron. Der Strom wird noch weiter beschleunigt und in 2808 Strahlen von 1,1 x 1011 Protonen aufgeteilt. Das SPS injiziert Strahlen im und gegen den Uhrzeigersinn in den LHC.
Im Large Hadron Collider beschleunigen Protonen 20 Minuten lang weiter. Bei Höchstgeschwindigkeit kreisen sie pro Sekunde 11.245 Mal um den LHC. Die Strahlen laufen auf einem von 6 Detektoren zusammen. In diesem Fall kommt es pro Sekunde zu 600 Millionen Kollisionen.
Wenn zwei Protonen kollidieren, werden sie in kleinere Teilchen gespalten, darunter Quarks und Gluonen. Quarks sind sehr instabil und zerfallen im Bruchteil einer Sekunde. Detektoren sammeln Informationen, indem sie den Weg subatomarer Teilchen verfolgen, und senden sie an ein Computernetzwerk.
Nicht alle Protonen kollidieren. Der Rest bewegt sich weiter zum Strahlfreigabeabschnitt, wo er vom Graphit absorbiert wird.
Detektoren
Entlang des Umfangs des Colliders gibt es 6 Abschnitte, in denen Daten gesammelt und Experimente durchgeführt werden. Davon sind 4 Hauptdetektoren und 2 kleinere.
Der größte ist ATLAS. Seine Abmessungen betragen 46 x 25 x 25 m. Der Tracker erfasst und analysiert den Impuls von Partikeln, die ATLAS passieren. Um ihn herum befindet sich ein Kalorimeter, das die Energie von Teilchen misst, indem es diese absorbiert. Wissenschaftler können ihre Flugbahn beobachten und Informationen über sie extrapolieren.
Der ATLAS-Detektor verfügt außerdem über ein Myonenspektrometer. Myonen sind negativ geladene Teilchen, die 200-mal schwerer als Elektronen sind. Sie sind die einzigen, die das Kalorimeter passieren können, ohne anzuhalten. Das Spektrometer misst den Impuls jedes Myons mithilfe von Sensoren für geladene Teilchen. Diese Sensoren können Schwankungen im Magnetfeld von ATLAS erkennen.
Das Compact Muon Solenoid (CMS) ist ein Allzweckdetektor, der bei Kollisionen freigesetzte Subpartikel erkennt und misst. Das Gerät befindet sich in einem riesigen Magnetmagneten, der ein Magnetfeld erzeugen kann, das fast 100.000 Mal größer ist als das Erdmagnetfeld.
Der ALICE-Detektor dient zur Untersuchung von Eisenionenkollisionen. Auf diese Weise hoffen die Forscher, die Bedingungen wiederherzustellen ähnliche Themen das geschah unmittelbar nach dem Urknall. Sie erwarten, dass sich die Ionen in eine Mischung aus Quarks und Gluonen verwandeln. Die Hauptkomponente von ALICE ist die TPC-Kamera, mit der Teilchenbahnen untersucht und rekonstruiert werden.
Der LHC dient der Suche nach Beweisen für die Existenz von Antimaterie. Dazu sucht es nach einem Teilchen namens Beauty-Quark. Die den Auftreffpunkt umgebende Reihe von Unterdetektoren ist 20 Meter lang. Sie können sehr instabile und schnell zerfallende Teilchen von Beauty-Quarks einfangen.
Das TOTEM-Experiment wird in einem Bereich mit einem der kleinen Detektoren durchgeführt. Es misst die Größe der Protonen und die Helligkeit des LHC und gibt Aufschluss über die Genauigkeit der Kollisionserzeugung.
Das LHC-Experiment simuliert kosmische Strahlung in einer kontrollierten Umgebung. Ziel ist es, zur Entwicklung groß angelegter Studien zur realen kosmischen Strahlung beizutragen.
An jeder Entdeckungsstelle gibt es ein Team von Forschern, das aus mehreren Dutzend bis über tausend Wissenschaftlern besteht.
Datenverarbeitung
Es ist nicht verwunderlich, dass ein solcher Collider einen riesigen Datenstrom erzeugt. Die 15.000.000 GB, die jährlich von LHC-Detektoren produziert werden, stellen eine große Herausforderung für Forscher dar. Seine Lösung ist ein Computernetzwerk, das aus Computern besteht, von denen jeder in der Lage ist, unabhängig voneinander ein Datenelement zu analysieren. Sobald der Computer die Analyse abgeschlossen hat, sendet er die Ergebnisse an den Zentralcomputer und erhält einen neuen Teil.
Wissenschaftler am CERN beschlossen, sich bei der Durchführung ihrer Berechnungen auf die Verwendung relativ kostengünstiger Geräte zu konzentrieren. Anstatt fortschrittliche Server und Prozessoren zu kaufen, wird vorhandene Hardware verwendet, die im Netzwerk eine gute Leistung erbringen kann. Mithilfe spezieller Software wird ein Netzwerk von Computern in der Lage sein, die Daten jedes Experiments zu speichern und zu analysieren.
Gefahr für den Planeten?
Einige befürchten, dass ein so mächtiger Collider eine Bedrohung für das Leben auf der Erde darstellen könnte, einschließlich der Beteiligung an der Bildung von Schwarzen Löchern, „seltsamer Materie“, magnetischen Monopolen, Strahlung usw.
Wissenschaftler widerlegen solche Behauptungen konsequent. Die Bildung eines Schwarzen Lochs ist unmöglich, da zwischen Protonen und Sternen eine Lücke besteht. großer Unterschied. „Seltsame Materie“ könnte schon vor langer Zeit unter dem Einfluss kosmischer Strahlung entstanden sein, und die Gefahr dieser hypothetischen Bildungen wird stark übertrieben.
Der Beschleuniger ist äußerst sicher: Er ist durch eine 100 Meter dicke Erdschicht von der Oberfläche getrennt und das Personal darf sich während der Experimente nicht unter der Erde aufhalten.
Nach einer Reihe von Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) gaben Spezialisten des Europäischen Zentrums für Kernforschung (CERN) die Entdeckung eines neuen Teilchens namens Pentaquark bekannt, das zuvor von russischen Wissenschaftlern vorhergesagt wurde.
Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein Beschleuniger zur Beschleunigung von Elementarteilchen (insbesondere Protonen).
Es befindet sich in Frankreich und der Schweiz und gehört dem Europäischen Rat für Kernforschung (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) an.
Zu diesem Zeitpunkt war den Wissenschaftlern nicht genau klar, inwiefern das von ihnen entdeckte Teilchen den Vorhersagen des Standardmodells entsprach. Im März 2013 hatten Physiker genügend Daten über das Teilchen, um es offiziell zum Higgs-Boson zu erklären.
Am 8. Oktober 2013 wurde der britische Physiker Peter Higgs und der Belgier Francois Engler ausgezeichnet, die den Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung entdeckten (dank dieser Verletzung können Elementarteilchen Masse haben). Nobelpreis in Physik für „die theoretische Entdeckung eines Mechanismus, der Einblicke in den Ursprung der Massen von Elementarteilchen liefert.“
Im Dezember 2013 verfolgten CERN-Physiker dank der Datenanalyse mithilfe neuronaler Netze erstmals den Zerfall des Higgs-Bosons in Fermionen – Tau-Leptonen sowie B-Quark- und B-Antiquark-Paare.
Im Juni 2014 klärten Wissenschaftler, die am ATLAS-Detektor arbeiteten, nach der Verarbeitung aller gesammelten Statistiken die Ergebnisse der Messung der Masse des Higgs-Bosons. Ihren Daten zufolge beträgt die Masse des Higgs-Bosons 125,36 ± 0,41 Gigaelektronenvolt. Dies ist sowohl vom Wert als auch von der Genauigkeit her nahezu identisch mit dem Ergebnis der Wissenschaftler, die am CMS-Detektor arbeiten.
In einer Veröffentlichung im Februar 2015 in der Zeitschrift Physical Review Letters erklärten Physiker dies möglicher Grund Das fast vollständige Fehlen von Antimaterie im Universum und das Vorherrschen gewöhnlicher sichtbarer Materie könnte durch die Bewegungen des Higgs-Feldes verursacht werden – einer besonderen Struktur, in der Higgs-Bosonen „leben“. Der russisch-amerikanische Physiker Alexander Kusenko von der University of California in Los Angeles (USA) und seine Kollegen glauben, dass es ihnen gelungen ist, die Antwort auf dieses universelle Rätsel in den Daten zu finden, die der Large Hadron Collider in der ersten Phase seines Betriebs gesammelt hat , als das Boson Higgs entdeckt wurde, das berühmte „Gottesteilchen“.
Am 14. Juli 2015 wurde bekannt, dass Spezialisten des Europäischen Zentrums für Kernforschung (CERN) nach einer Reihe von Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) die Entdeckung eines neuen Teilchens namens Pentaquark bekannt gaben, das zuvor vorhergesagt wurde Russische Wissenschaftler. Die Untersuchung der Eigenschaften von Pentaquarks wird es uns ermöglichen, besser zu verstehen, wie gewöhnliche Materie funktioniert. Die Möglichkeit der Existenz von Pentaquarks, Mitarbeiter des St. Petersburger Instituts für Kernphysik, benannt nach Konstantinov Dmitry Dyakonov, Maxim Polyakov und Viktor Petrov.
Die vom LHC in der ersten Arbeitsphase gesammelten Daten ermöglichten es den Physikern der LHCb-Kollaboration, die auf dem gleichnamigen Detektor nach exotischen Teilchen sucht, mehrere Teilchen von fünf Quarks zu „fangen“, die vorläufige Namen Pc(4450) erhielten. + und Pc(4380)+. Sie haben eine sehr große Masse – etwa 4,4 bis 4,5 Tausend Megaelektronenvolt, was etwa vier- bis fünfmal mehr ist als die gleiche Zahl für Protonen und Neutronen – sowie einen eher ungewöhnlichen Spin. Es handelt sich naturgemäß um vier „normale“ Quarks, die an ein Antiquark gebunden sind.
Die statistische Sicherheit der Entdeckung beträgt neun Sigma, was einem zufälligen Fehler oder einer Fehlfunktion des Detektors in einem Fall bei vier Millionen Milliarden Versuchen (10 hoch 18) entspricht.
Eines der Ziele des zweiten Starts des LHC wird die Suche nach Dunkler Materie sein. Es wird angenommen, dass die Entdeckung solcher Materie dazu beitragen wird, das Problem der verborgenen Masse zu lösen, das insbesondere in der ungewöhnlich hohen Rotationsgeschwindigkeit der äußeren Regionen von Galaxien liegt.
Das Material wurde auf der Grundlage von Informationen von RIA Novosti und offenen Quellen erstellt
Wo befindet sich der Large Hadron Collider?
Im Jahr 2008 schloss CERN (Europäischer Rat für Kernforschung) den Bau eines superstarken Teilchenbeschleunigers namens Large Hadron Collider ab. Auf Englisch: LHC – Large Hadron Collider. CERN ist eine internationale zwischenstaatliche wissenschaftliche Organisation, die 1955 gegründet wurde. Tatsächlich ist es das weltweit führende Labor in den Bereichen Hochenergie, Teilchenphysik und Sonnenenergie. Etwa 20 Länder sind Mitglieder der Organisation.
Warum wird der Large Hadron Collider benötigt?
In der Nähe von Genf wurde ein Ring aus supraleitenden Magneten geschaffen, um Protonen in einem 27 Kilometer (26.659 m) langen kreisförmigen Betontunnel zu beschleunigen. Es wird erwartet, dass der Beschleuniger nicht nur dazu beitragen wird, in die Geheimnisse der Mikrostruktur der Materie einzudringen, sondern auch dazu beitragen wird, die Suche nach einer Antwort auf die Frage nach neuen Energiequellen in den Tiefen der Materie voranzutreiben.
Zu diesem Zweck wurden gleichzeitig mit dem Bau des Beschleunigers selbst (der über 2 Milliarden US-Dollar kostete) vier Teilchendetektoren geschaffen. Davon sind zwei große universelle Systeme (CMS und ATLAS) und zwei eher spezialisierte. Gesamtkosten Die Entwicklung von Detektoren nähert sich ebenfalls der 2-Milliarden-Dollar-Marke. In jedem von große Projekte An CMS und ATLAS nahmen über 150 Institutionen aus 50 Ländern teil, darunter Russland und Weißrussland.
Die Jagd nach dem schwer fassbaren Higgs-Boson
Wie funktioniert der Hadron Collider-Beschleuniger? Der Collider ist der größte Protonenbeschleuniger, der mit kollidierenden Strahlen arbeitet. Durch die Beschleunigung wird jeder der Strahlen im Laborsystem eine Energie von 7 Teraelektronenvolt (TeV) haben, also 7x1012 Elektronenvolt. Beim Zusammenstoß von Protonen entstehen viele neue Teilchen, die von Detektoren erfasst werden. Nach der Analyse der Sekundärteilchen werden die gewonnenen Daten dazu beitragen, grundlegende Fragen zu beantworten, die Wissenschaftler beschäftigen, die sich mit Mikroweltphysik und Astrophysik befassen. Zu den Hauptthemen gehört der experimentelle Nachweis des Higgs-Bosons.
Das mittlerweile „berühmte“ Higgs-Boson ist ein hypothetisches Teilchen, das einer der Hauptbestandteile des sogenannten Standardteilchens ist. klassisches Modell Elementarteilchen. Benannt nach dem britischen Theoretiker Peter Higgs, der seine Existenz 1964 vorhersagte. Man geht davon aus, dass Higgs-Bosonen als Quanten des Higgs-Feldes für grundlegende Fragen der Physik relevant sind. Insbesondere zum Konzept des Ursprungs der Massen von Elementarteilchen.
Am 2. und 4. Juli 2012 entdeckte eine Reihe von Collider-Experimenten ein bestimmtes Teilchen, das mit dem Higgs-Boson korreliert werden kann. Darüber hinaus wurden die Daten bestätigt, als sie sowohl mit dem ATLAS-System als auch mit dem CMS-System gemessen wurden. Es gibt immer noch Debatten darüber, ob das berüchtigte Higgs-Boson wirklich entdeckt wurde oder ob es sich um ein anderes Teilchen handelt. Tatsache ist, dass das entdeckte Boson das schwerste ist, das jemals entdeckt wurde. Um die grundlegende Frage zu lösen, wurden führende Physiker der Welt eingeladen: Gerald Guralnick, Carl Hagen, Francois Englert und Peter Higgs selbst, der bereits 1964 die Existenz eines nach ihm benannten Bosons theoretisch begründete. Nach der Analyse der Datenreihe neigen die Studienteilnehmer zu der Annahme, dass das Higgs-Boson tatsächlich entdeckt wurde.
Viele Physiker hofften, dass die Untersuchung des Higgs-Bosons „Anomalien“ aufdecken würde, die dazu führen würden, von der sogenannten „Neuen Physik“ zu sprechen. Bis Ende 2014 war jedoch fast der gesamte Datensatz, der in den letzten drei Jahren als Ergebnis der Experimente am LHC gesammelt wurde, verarbeitet und es wurden keine interessanten Abweichungen (mit Ausnahme von Einzelfällen) festgestellt. Tatsächlich stellte sich heraus, dass der Zwei-Photonen-Zerfall des berüchtigten Higgs-Bosons den Forschern zufolge „zu normal“ war. Allerdings könnten die für das Frühjahr 2015 geplanten Experimente die wissenschaftliche Welt mit neuen Entdeckungen überraschen.
Nicht nur ein Boson
Die Suche nach dem Higgs-Boson ist nicht das Ziel eines Riesenprojekts. Für Wissenschaftler ist es auch wichtig, nach neuen Arten von Teilchen zu suchen, die es ermöglichen, das einheitliche Zusammenspiel der Natur in der frühen Phase der Existenz des Universums zu beurteilen. Wissenschaftler unterscheiden mittlerweile vier grundlegende Wechselwirkungen der Natur: stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ. Die Theorie legt nahe, dass es in den frühen Stadien des Universums möglicherweise eine einzige Kraft gegeben hat. Sollten neue Partikel entdeckt werden, wird diese Version bestätigt.
Auch die Physiker sind besorgt über den mysteriösen Ursprung der Teilchenmasse. Warum haben Teilchen überhaupt Masse? Und warum haben sie solche Massen und nicht andere? Hier meinen wir übrigens immer die Formel E=mc². Jedes materielle Objekt hat Energie. Die Frage ist, wie man es freigibt. Wie lassen sich Technologien entwickeln, die es ermöglichen, es mit maximaler Effizienz aus einem Stoff freizusetzen? Dies ist heute das wichtigste Energieproblem.
Mit anderen Worten: Das Large Hadron Collider-Projekt wird Wissenschaftlern dabei helfen, Antworten auf grundlegende Fragen zu finden und das Wissen über den Mikrokosmos und damit über die Entstehung und Entwicklung des Universums zu erweitern.
Beitrag belarussischer und russischer Wissenschaftler und Ingenieure zur Schaffung des LHC
Während der Bauphase wandten sich die europäischen Partner des CERN an eine Gruppe belarussischer Wissenschaftler mit umfassender Erfahrung auf diesem Gebiet, um sich von Beginn des Projekts an an der Entwicklung von Detektoren für den LHC zu beteiligen. Im Gegenzug luden belarussische Wissenschaftler Kollegen des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung aus der Wissenschaftsstadt Dubna und andere zur Zusammenarbeit ein Russische Institutionen. Spezialisten als einziges Team begannen mit der Arbeit am sogenannten CMS-Detektor – „Compact Muon Solenoid“. Es besteht aus vielen komplexen Subsystemen, die jeweils für die Ausführung spezifischer Aufgaben konzipiert sind. Gemeinsam ermöglichen sie die Identifizierung und genaue Messung der Energien und Abflugwinkel aller Teilchen, die bei Protonenkollisionen am LHC entstehen.
An der Entwicklung des ATLAS-Detektors waren auch belarussisch-russische Spezialisten beteiligt. Hierbei handelt es sich um eine 20 m hohe Installation, die Partikelflugbahnen mit hoher Genauigkeit messen kann: bis zu 0,01 mm. Die empfindlichen Sensoren im Inneren des Detektors enthalten etwa 10 Milliarden Transistoren. Das vorrangige Ziel des ATLAS-Experiments ist der Nachweis des Higgs-Bosons und die Untersuchung seiner Eigenschaften.
Ohne Übertreibung haben unsere Wissenschaftler einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der CMS- und ATLAS-Detektoren geleistet. Manche wichtige Komponenten wurden im gleichnamigen Minsker Maschinenbauwerk hergestellt. Oktoberrevolution(MZOR). Insbesondere Endflächen-Hadronenkalorimeter für das CMS-Experiment. Darüber hinaus wurden in der Anlage hochkomplexe Elemente des Magnetsystems des ATLAS-Detektors hergestellt. Dabei handelt es sich um große Gegenstände, die Eigentum erfordern. spezielle Technologien Metallverarbeitung und Ultrapräzisionsbearbeitung. Den CERN-Technikern zufolge wurden die Aufträge hervorragend ausgeführt.
Auch der „Beitrag des Einzelnen zur Geschichte“ ist nicht zu unterschätzen. So ist beispielsweise der Diplom-Ingenieur der Technischen Wissenschaften Roman Stefanovich für die Ultrapräzisionsmechanik im CMS-Projekt verantwortlich. Sie sagen sogar scherzhaft, dass das CMS ohne ihn nicht gebaut worden wäre. Aber im Ernst, wir können ganz sicher sagen: Ohne sie wären die Montage- und Inbetriebnahmetermine in der geforderten Qualität nicht eingehalten worden. Ein anderer unserer Elektronikingenieure, Vladimir Chekhovsky, hat heute einen ziemlich schwierigen Wettbewerb bestanden und debuggt die Elektronik des CMS-Detektors und seiner Myonenkammern.
Unsere Wissenschaftler sind sowohl an der Inbetriebnahme von Detektoren als auch im Laborbereich, an deren Betrieb, Wartung und Aktualisierung beteiligt. Wissenschaftler aus Dubna und ihre belarussischen Kollegen nehmen voll und ganz ihren Platz in der internationalen Physikgemeinschaft CERN ein, die daran arbeitet, neue Informationen über die tiefen Eigenschaften und die Struktur der Materie zu erhalten.
Video
Rezension des Simple Science-Kanals, die das Funktionsprinzip des Beschleunigers deutlich zeigt:
Rezension von uanaal Galileo:
Rezension von uanaal Galileo:
Start des Hadron Collider 2015:
Wo befindet sich der Large Hadron Collider?
Im Jahr 2008 schloss CERN (Europäischer Rat für Kernforschung) den Bau eines superstarken Teilchenbeschleunigers namens Large Hadron Collider ab. Auf Englisch: LHC – Large Hadron Collider. CERN ist eine internationale zwischenstaatliche wissenschaftliche Organisation, die 1955 gegründet wurde. Tatsächlich ist es das weltweit führende Labor in den Bereichen Hochenergie, Teilchenphysik und Sonnenenergie. Etwa 20 Länder sind Mitglieder der Organisation.
Warum wird der Large Hadron Collider benötigt?
In der Nähe von Genf wurde ein Ring aus supraleitenden Magneten geschaffen, um Protonen in einem 27 Kilometer (26.659 m) langen kreisförmigen Betontunnel zu beschleunigen. Es wird erwartet, dass der Beschleuniger nicht nur dazu beitragen wird, in die Geheimnisse der Mikrostruktur der Materie einzudringen, sondern auch dazu beitragen wird, die Suche nach einer Antwort auf die Frage nach neuen Energiequellen in den Tiefen der Materie voranzutreiben.
Zu diesem Zweck wurden gleichzeitig mit dem Bau des Beschleunigers selbst (der über 2 Milliarden US-Dollar kostete) vier Teilchendetektoren geschaffen. Davon sind zwei große universelle Systeme (CMS und ATLAS) und zwei eher spezialisierte. Die Gesamtkosten der Detektoren belaufen sich ebenfalls auf fast 2 Milliarden US-Dollar. An den großen CMS- und ATLAS-Projekten beteiligten sich jeweils über 150 Institute aus 50 Ländern, darunter russische und weißrussische.
Die Jagd nach dem schwer fassbaren Higgs-Boson
Wie funktioniert der Hadron Collider-Beschleuniger? Der Collider ist der größte Protonenbeschleuniger, der mit kollidierenden Strahlen arbeitet. Durch die Beschleunigung wird jeder der Strahlen im Laborsystem eine Energie von 7 Teraelektronenvolt (TeV) haben, also 7x1012 Elektronenvolt. Beim Zusammenstoß von Protonen entstehen viele neue Teilchen, die von Detektoren erfasst werden. Nach der Analyse der Sekundärteilchen werden die gewonnenen Daten dazu beitragen, grundlegende Fragen zu beantworten, die Wissenschaftler beschäftigen, die sich mit Mikroweltphysik und Astrophysik befassen. Zu den Hauptthemen gehört der experimentelle Nachweis des Higgs-Bosons.
Das mittlerweile berühmte Higgs-Boson ist ein hypothetisches Teilchen, das eine der Hauptkomponenten des sogenannten klassischen Standardmodells der Elementarteilchen darstellt. Benannt nach dem britischen Theoretiker Peter Higgs, der seine Existenz 1964 vorhersagte. Man geht davon aus, dass Higgs-Bosonen als Quanten des Higgs-Feldes für grundlegende Fragen der Physik relevant sind. Insbesondere zum Konzept des Ursprungs der Massen von Elementarteilchen.
Am 2. und 4. Juli 2012 entdeckte eine Reihe von Collider-Experimenten ein bestimmtes Teilchen, das mit dem Higgs-Boson korreliert werden kann. Darüber hinaus wurden die Daten bestätigt, als sie sowohl mit dem ATLAS-System als auch mit dem CMS-System gemessen wurden. Es gibt immer noch Debatten darüber, ob das berüchtigte Higgs-Boson wirklich entdeckt wurde oder ob es sich um ein anderes Teilchen handelt. Tatsache ist, dass das entdeckte Boson das schwerste ist, das jemals entdeckt wurde. Um die grundlegende Frage zu lösen, wurden führende Physiker der Welt eingeladen: Gerald Guralnick, Carl Hagen, Francois Englert und Peter Higgs selbst, der bereits 1964 die Existenz eines nach ihm benannten Bosons theoretisch begründete. Nach der Analyse der Datenreihe neigen die Studienteilnehmer zu der Annahme, dass das Higgs-Boson tatsächlich entdeckt wurde.
Viele Physiker hofften, dass die Untersuchung des Higgs-Bosons „Anomalien“ aufdecken würde, die dazu führen würden, von der sogenannten „Neuen Physik“ zu sprechen. Bis Ende 2014 war jedoch fast der gesamte Datensatz, der in den letzten drei Jahren als Ergebnis der Experimente am LHC gesammelt wurde, verarbeitet und es wurden keine interessanten Abweichungen (mit Ausnahme von Einzelfällen) festgestellt. Tatsächlich stellte sich heraus, dass der Zwei-Photonen-Zerfall des berüchtigten Higgs-Bosons den Forschern zufolge „zu normal“ war. Allerdings könnten die für das Frühjahr 2015 geplanten Experimente die wissenschaftliche Welt mit neuen Entdeckungen überraschen.
Nicht nur ein Boson
Die Suche nach dem Higgs-Boson ist nicht das Ziel eines Riesenprojekts. Für Wissenschaftler ist es auch wichtig, nach neuen Arten von Teilchen zu suchen, die es ermöglichen, das einheitliche Zusammenspiel der Natur in der frühen Phase der Existenz des Universums zu beurteilen. Wissenschaftler unterscheiden mittlerweile vier grundlegende Wechselwirkungen der Natur: stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ. Die Theorie legt nahe, dass es in den frühen Stadien des Universums möglicherweise eine einzige Kraft gegeben hat. Sollten neue Partikel entdeckt werden, wird diese Version bestätigt.
Auch die Physiker sind besorgt über den mysteriösen Ursprung der Teilchenmasse. Warum haben Teilchen überhaupt Masse? Und warum haben sie solche Massen und nicht andere? Hier meinen wir übrigens immer die Formel E=mc². Jedes materielle Objekt hat Energie. Die Frage ist, wie man es freigibt. Wie lassen sich Technologien entwickeln, die es ermöglichen, es mit maximaler Effizienz aus einem Stoff freizusetzen? Dies ist heute das wichtigste Energieproblem.
Mit anderen Worten: Das Large Hadron Collider-Projekt wird Wissenschaftlern dabei helfen, Antworten auf grundlegende Fragen zu finden und das Wissen über den Mikrokosmos und damit über die Entstehung und Entwicklung des Universums zu erweitern.
Beitrag belarussischer und russischer Wissenschaftler und Ingenieure zur Schaffung des LHC
Während der Bauphase wandten sich die europäischen Partner des CERN an eine Gruppe belarussischer Wissenschaftler mit umfassender Erfahrung auf diesem Gebiet, um sich von Beginn des Projekts an an der Entwicklung von Detektoren für den LHC zu beteiligen. Im Gegenzug luden belarussische Wissenschaftler Kollegen des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung aus der Wissenschaftsstadt Dubna und anderer russischer Institute zur Zusammenarbeit ein. Spezialisten als einziges Team begannen mit der Arbeit am sogenannten CMS-Detektor – „Compact Muon Solenoid“. Es besteht aus vielen komplexen Subsystemen, von denen jedes für die Ausführung spezifischer Aufgaben konzipiert ist. Gemeinsam ermöglichen sie die Identifizierung und genaue Messung der Energien und Abflugwinkel aller Teilchen, die bei Protonenkollisionen am LHC entstehen.
An der Entwicklung des ATLAS-Detektors waren auch belarussisch-russische Spezialisten beteiligt. Hierbei handelt es sich um eine 20 m hohe Installation, die Partikelflugbahnen mit hoher Genauigkeit messen kann: bis zu 0,01 mm. Die empfindlichen Sensoren im Inneren des Detektors enthalten etwa 10 Milliarden Transistoren. Das vorrangige Ziel des ATLAS-Experiments ist der Nachweis des Higgs-Bosons und die Untersuchung seiner Eigenschaften.
Ohne Übertreibung haben unsere Wissenschaftler einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der CMS- und ATLAS-Detektoren geleistet. Einige wichtige Komponenten wurden im gleichnamigen Minsker Maschinenbauwerk hergestellt. Oktoberrevolution (MZOR). Insbesondere End-End-Hadronenkalorimeter für das CMS-Experiment. Darüber hinaus wurden in der Anlage hochkomplexe Elemente des Magnetsystems des ATLAS-Detektors hergestellt. Hierbei handelt es sich um großformatige Produkte, die spezielle Metallverarbeitungstechnologien und eine hochpräzise Verarbeitung erfordern. Den CERN-Technikern zufolge wurden die Aufträge hervorragend ausgeführt.
Auch der „Beitrag des Einzelnen zur Geschichte“ ist nicht zu unterschätzen. So ist beispielsweise der Diplom-Ingenieur der Technischen Wissenschaften Roman Stefanovich für die Ultrapräzisionsmechanik im CMS-Projekt verantwortlich. Sie sagen sogar scherzhaft, dass das CMS ohne ihn nicht gebaut worden wäre. Aber im Ernst, wir können ganz sicher sagen: Ohne sie wären die Montage- und Inbetriebnahmetermine in der geforderten Qualität nicht eingehalten worden. Ein anderer unserer Elektronikingenieure, Vladimir Chekhovsky, hat heute einen ziemlich schwierigen Wettbewerb bestanden und debuggt die Elektronik des CMS-Detektors und seiner Myonenkammern.
Unsere Wissenschaftler sind sowohl an der Inbetriebnahme von Detektoren als auch im Laborbereich, an deren Betrieb, Wartung und Aktualisierung beteiligt. Wissenschaftler aus Dubna und ihre belarussischen Kollegen nehmen voll und ganz ihren Platz in der internationalen Physikgemeinschaft CERN ein, die daran arbeitet, neue Informationen über die tiefen Eigenschaften und die Struktur der Materie zu erhalten.
Video
Rezension des Simple Science-Kanals, die das Funktionsprinzip des Beschleunigers deutlich zeigt:
Rezension von uanaal Galileo:
Rezension von uanaal Galileo:
Start des Hadron Collider 2015:
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