Действующие коллайдеры разных стран. Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (или по английски Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и ионов свинца и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (Conseil Europe"en pour la Recherche Nucle"aire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 K (-271 C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Мы здесь не поясняем тонкостей кострукции а лишь пытаемся подчеркнуть все грандиозность установки.

На БАКе запланировано огромное количество различных исследований. Попробуем рассказать о некоторых из них. Энергии пучков на коллайдере будет достаточно для того, чтобы более детально изучить кварковую структуру протона и других частиц состоящих из кварков (их называют адронами). Ранее эта структура уже изучалась на Теватроне.

На этом ускорителе планируется получить состояние вещества которое называется Кварк - Глюонная плазма. Это состояние достигается когда несколько протонов на больших энергиях сталкиваются. При этом в небольшом объеме пространства энергия оказывается столь велика, что весь этот объем заполнен кварками (внутренними составляющими протона) и глюонами (элементарными частицами, переносчиками сильного взаимодействия). Кварки в этом состоянии непрерывно аннигилируют и вновь рождаются из вакуума. Такое состояние для кварков называется ассимтотическая свобода. Говоря о таком состоянии трудно сказать отнести это состояние к веществу или к состоянию самого пространства. Изучение этого особенно интересно так как по современным представлениям пространство всей нашей вселенной в первые мгновения своего образования находилось в таком состоянии. Также изучение кварк-глюонной плазмы позволит лучше понять сильное взаимодействие.

Кроме того, как уже многим известно, планируется обнаружение частицы, которая называется бозон Хиггса. Интересно не само по себе обнаружение частицы а исследования некоторого механизма нарушения симметрии Хиггса вызываемого этой частицей. Это процессы, по ситу, представляю собой теорию слабого взаимодействия, понимание механизмов которой необходимо для того, чтобы понять устройство вселенной.

Большой Адронный коллайдер привлекает к себе внимание еще и потому, что согласно мнению некоторых псевдоученых некоторые процессы в коллайдере способны уничтожить все планету. Действительно, когда плотность энергии в пространстве столь велико то в нем могут рождать совершенно различные объекты, в том числе и микроскопические черные дыры. Однако появление черных дыр, согласно теории, очень маловероятно. Да и потом микроскопические черные дыры не опасны, так как не способны поглощать все вокруг.

Также существует мнение что в коллайдре возможно спровоцировать новый большой взрыв который может разрушить все нашу вселенную. Такое тоже практически невозможно. Дело в том, что в космическом пространстве встречаются частицы с энергиями еще большими чем будут получены в ускорителе. Эти частицы на протяжении всего существования человечества прилетали не землю никогда не провоцируя образование черных дыр.

БАК открывает гигантские перспективы для науки на много лет вперед. остается только ждать, когда его откроют.

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча.

24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.

12 сентября , примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.

19 сентября , в 14:05 по московскому времени, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтверждённым и детализированным позднее, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта — охладить его снова до рабочей температуры.

23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года.

Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире...

Опасения по поводу возникновения в Большом адронном коллайдере (БАК) черных дыр, способных поглотить всю Вселенную, все-таки частично подтвердились. Эти дыры теоретически действительно могут возникнуть.

Первый запуск БАК осенью прошлого года сопровождался истерией по поводу возможного образования в нем черных дыр.

Как известно, во Вселенной обнаружены уже сотни таких объектов, которые обладают столь мощной гравитацией, что даже свет не может вырваться из их объятий. Черная дыра засасывает...

В Большом адронном коллайдере успешно прошло столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 тераэлектронвольт.

Достигнутая энергия столкновения является максимальным значением, которое когда-либо удавалось получать в ускорителях элементарных частиц.

Предыдущий рекорд энергии столкновения был установлен в БАК 22 марта и составил 3,48 тераэлектронвольта.

Первые два запуска пучков протонов в Большом адронном коллайдере, предпринятые ранее во вторник, закончились неудачей. В первой...

В субботу, 26 июня, на Большом адронном коллайдере вновь начались столкновения протонов в пучках, содержащих около 100 миллиардов частиц. До этого около трех недель специалисты отлаживали системы безопасности ускорителя.

Повышение мер безопасности необходимо для того, чтобы обеспечить стабильную циркуляцию по кольцу ускорителя пучков протонов. Ученые постепенно повышают интенсивность сгустков в протонных пучках (элементарные частицы движутся по кольцу ускорителя не единой массой, а отдельными...

22 августа Большой адронный коллайдер (LHC) успешно прошел последнюю серию синхронизационных испытаний: как сообщается в пресс-релизе Европейской организации ядерных исследований (CERN), пучок частиц прошел по кольцу ускорителя против часовой стрелки примерно три километра (ранее аналогичные испытания были проведены при движении пучка по часовой стрелке).

Ожидается, что крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц позволит обнаружить так называемые бозоны Хиггса и сымитировать состояние...

Большой адронный коллайдер был остановлен на несколько часов из-за течи в системе охлаждения.

"Датчики зафиксировали течь в контуре деминерализованной воды, которая охлаждает источники питания насосов криогенной системы охлаждения, а также источники питания магнитов", - сообщил собеседник агентства.

Предполагается, что время бездействия ускорителя составит около 6 часов.

При этом подчеркивается, что неполадки достаточно несущественные и работа ускорителя будет восстановлена в...

Большой адронный коллайдер, самый большой в истории ускоритель элементарных частиц, вновь запущен после технической остановки перед новым годом.

В субботу первые в 2010 году протоны были введены в 27-километровое кольцо ускорителя и прошли его в обе стороны.

Пока пучки протонов циркулировали на энергии предыдущей ступени ускорителя - протонного суперсинхротрона SBS - 450 гигаэлектронвольт. Однако в ближайшие несколько недель ученые рассчитывают довести энергию частиц до 3,5...

Большой адронный коллайдер после зимних каникул и нескольких недель тестов вышел на нормальный режим работы, говорится в сообщении в официальном микроблоге Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). «Сезон физических исследований 2011 года начался», – говорится в сообщении.

Коллайдер, который начал работать в феврале 2010 года после нескольких месяцев калибровки, ликвидации мелких неполадок, в декабре того же года завершил свой первый рабочий год и был остановлен до середины февраля...

Большой адронный коллайдер, работающий в Швейцарии – самый известный ускоритель в мире. Этому немало способствовала шумиха, поднятая мировой общественностью и журналистами вокруг опасности этого научного проекта. Многие полагают, что это единственный коллайдер в мире, но это далеко не так. Кроме закрытого в США теватрона, на данный момент в мире существует пять работающих коллайдеров.

В Америке, в Брукхейвенской лаборатории работает ускоритель РКТИ (релятивистский коллайдер тяжелых ионов), начавший работу в 2000 году. Для его ввода в строй потребовалось вложение 2 миллиардов $. Кроме чисто теоретических экспериментов, физики, работающие на РКТИ (RHIC), разрабатываю вполне практические проекты. Среди них:

• устройство для диагностирования и лечения рака (используются направленные ускоренные протоны);
• использование лучей тяжелых ионов для создания фильтров на молекулярном уровне;
• разработка все более эффективных устройств для аккумулирования энергии, что открывает новые перспективы в использовании солнечной энергии.

Подобный этому, ускоритель тяжелых ионов, строится в России в Дубне. На этом коллайдере NICA российские физики намерены исследовать кварк-глюонную плазму.

Сейчас российские ученые проводят исследования в ИЯФ, где расположены сразу два коллайдера – ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Их бюджет составляет 0,19 млрд. $ - для первого и 0,1 – для второго. Первые испытания на ВЭПП-4М начались еще в 1994 году. Здесь разработана методика измерения массы наблюдаемых элементарных частиц с самой высокой точностью во всем мире. Кроме того, ИЯФ единственный в мире институт, зарабатывающий на фундаментальные исследования в области физики собственными силами. Ученые этого института разрабатывают и продают оборудование для ускорителей другим государствам, желающим иметь свои экспериментальные установки, но не имеющих таких наработок.

В 1999 году был запущен коллайдер Дафне в лаборатории Фраскатти (Италия), стоимость его была примерно 1/5 млрд. дол., а максимальная мощность – 0, 51 ТэВ. Это был один из первых ускорителей высоких энергий, с помощью только одного эксперимента на нем было получено более ста тысяч гиперионов (частиц атома). За это Дафне окрестили фабрикой частиц или ф-фабрикой.

За два года до запуска БАК, в 2006 году Китай запустил собственный коллайдер ВЕРС II, с мощностью 2,5 ТэВ. Стоимость этого строительства была рекордно низкой и составила 0,08 млрд. дол. Но для бюджета этой развивающейся страны такая сума была немалой; правительство Китая выделило эти средства, понимая, что без развития фундаментальных отраслей науки невозможно развитие современной промышленности. Тем более актуально вложение средств в эту область экспериментальной физики в свете истощения природных ресурсов и увеличивающейся потребности в энергоносителях.

Ваш комментарий

Существует два типа ускорительных установок: ускорители с неподвижной мишенью и ускорители со встречными пучками (или коллайдеры). В ускорителях первого типа частицы после ускорения выводят из ускорительной камеры и направляют на неподвижную мишень, например, металлическую пластину. В этом случае далеко не вся кинетическая энергия ускоренной частицы может быть “вложена” в изучаемый процесс, например, во внутреннее возбуждение атомного ядра или частицы-мишени или в рождение новой частицы, так как значительная, а часто и подавляющая часть этой энергии не может быть “изъята” у частицы, поскольку идёт на “обеспечение” выполнения закона сохранения импульса - большой импульс частицы до столкновения должен сохраниться в виде большого импульса (а значит, и кинетической энергии) продуктов реакции.
Конкретные оценки (см. эквивалентная энергия) позволяют увидеть огромную разницу между кинетическими энергиями, например, протонов в ускорителе с неподвижной мишенью и со встречными пучками, которые необходимы для рождения частиц большой массы.

Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц. Есть две основные схемы реализации коллайдеров (рис. 1). Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов (рис. 1б ). В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков (рис. 1а ).
Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 10 15 в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце и пучки многие часы и даже сутки могут циркулировать в ускорителе без пополнения.
Важной характеристикой коллайдеров является светимость , обозначаемая буквой L (от англ. Luminosity ).

Встречные пучки состоят из отдельных сгустков частиц, называемых банчами (от англ. bunch ), двигающихся с определенным интервалом (частотой) друг за другом. Рассмотрим два цилиндрических банча одинакового сечения, летящих навстречу друг другу и затем сталкивающихся (рис. 2). Будем считать, что банчи равномерно заполнены частицами и при столкновении полностью перекрываются. В левом банче n 1 частиц, а в правом n 2 . Вначале положим, что на орбите коллайдера банчи сталкиваются один раз в единицу времени. Число взаимодействий N 1 в единицу времени между частицами этих двух банчей (т. е. число актов реакций в единицу времени) можно вычислить по формуле (2) из раздела "Сечение реакции ", приняв левый банч за частицы-снаряды, а правый - за мишень:

где - эффективное сечение взаимодействия. Здесь учтено, что плотность потока падающих на правый банч частиц левого банча j = n 1 /S, а полное число частиц в правом банче (принятом в качестве мишени) n 2 = nSl, где n - концентрация частиц в правом банче. Если банчи сталкиваются f раз в единицу времени (т. е. с частотой f), то число актов реакции N будет даваться выражением

и есть светимость коллайдера.

Пример. В коллайдере TEVATRON сталкиваются протоны и антипротоны с энергиями 1 ТэВ. Чему равно число актов их взаимодействия в 1 сек, если сечение полного взаимодействия протона и антипротона при этих энергиях = 75 мб, а светимость коллайдера L = 5 . 10 31 см -2 сек -1 .

Используем (2):

N = L = 5 . 10 31 см -2 сек -1. 75 . 10 -27 см -2 = 3.75 . 10 6 сек -1 .

Перечень основных коллайдеров дан в таблице.

Ускорители на встречных пучках (коллайдеры)