Na obrzeżach Genewy, ładnego szwajcarskiego miasteczka, znajduje się centrum nauki, do którego można dojechać komunikacją miejską. Dużym kompleksem budynków jest siedziba CERN-u (słyszaliście o tym niedawno w kontekście zwalniania rosyjskich naukowców), gdzie naukowcy związani i współpracujący z Europejską Organizacją Badań Jądrowych prowadzą badania z zakresu fizyki wysokich energii. Jest tysiące pracowników technicznych i coraz więcej naukowców, w tym kilkuset Polaków.
Chociaż wielkość obiektu naziemnego jest imponująca, jego prawdziwa moc kryje się tylko pod ziemią, gdzie znajdują się duże pierścienie tuneli, w których cząstki elementarne są przyspieszane do ogromnych prędkości, czasem zbliżonych do prędkości światła. Następnie ich strumienie wprowadzane są do instrumentów naukowych, gdzie zderzają się różne strumienie cząstek i wyłania się nowa fizyka.
Tunel LHC w CERN pod Genewą. Z góry widać Jezioro Genewskie i lotnisko w Genewie.
Cóż, nie całkiem nowa, bo często jest to przepowiadana przez teoretyków, ale też fizyka, która dla przeciętnego człowieka jest czymś bardzo egzotycznym, często przekraczającym rozum. Badania pochłaniają ogromne sumy, ale to konieczny wydatek, być może więcej niż miliardy zmarnowane na projekt rakiety NASA SLS, która niedawno wróciła do hangaru z ogonem pod nogami po nieudanych próbach tankowania ciekłym wodorem.
Zespoły pracujące w CERN często składają się z kilkudziesięciu lub więcej naukowców. Z kolei wnioski są często krótkie i zwięzłe. Dlatego zdarza się, że opisujące je artykuły mają taką samą długość jak lista autorów.
Badania prowadzone w CERN sprawiają, że można go uznać za wylęgarnię wielu laureatów Nagrody Nobla. To tutaj historia WWW zaczęła poprawiać komunikację między zespołami badawczymi i wykorzystywać manipulacje ogromnymi bazami danych gromadzonych podczas każdego eksperymentu. Podczas gdy uzasadnienie eksploracji kosmosu jest trudne do zrozumienia, nie można w żaden sposób kwestionować sukcesów CERN, takich jak techniki obrazowania medycznego czy techniki neutralizacji odpadów nuklearnych.
Państwa członkowskie i obserwatorzy CERN
CERN liczy obecnie 23 kraje (Polska jest członkiem od 1991 roku, wcześniej była obserwatorem) oraz wiele krajów o statusie obserwatora.
Jak widać, przez dziesięciolecia pracy CERN było wiele do świętowania.
Fizyka wysokich energii jest dokładnie tym, co sugeruje nazwa.
Fizyka wysokich energii (fizyka cząstek elementarnych) charakteryzuje się tym, że stopień zaawansowania badań zależy od energii, jaką jesteśmy w stanie przekazać cząstce lub cząsteczkom. Im wyższa energia, tym ciekawsze mogą powstawać cząstki, tym więcej jesteśmy w stanie badać elementarnych praw, oddziaływań i zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych (które czasami przestają być elementarne, gdy eksperyment potwierdzi istnienie jeszcze większej liczby podstawowe składniki materii).
Fizyka wysokich energii wymaga również ruchu ze strony pracowników CERN-u. Przecież trzeba jakoś dostać się do poszczególnych elementów akceleratora w tunelu
W fizyce wysokich energii energia jest wyrażana w elektronowoltach. Jeden elektron wolt to energia, którą elektron zyskuje / traci podczas poruszania się w polu elektrycznym o wartości 1 wolta. Ponieważ każda cząstka ma inną masę, ta sama energia, którą jej nadano, nie oznacza tej samej prędkości. Najprościej jest rozpędzać elektrony, znacznie trudniej – protony i neutrony, a to nie koniec znanej menażerii cząstek. W rzeczywistości wszystko dopiero się zaczyna.
Teoria ta przewiduje istnienie różnych cząstek, których oddziaływanie możemy nam ujawnić tylko przy bardzo wysokich energiach. Są częścią różnych modeli istnienia i tworzenia Wszechświata, mogą też być bramami do nieznanych dziś sposobów manipulowania materią.
Wiele z nich istnieje w naszej rzeczywistości tylko przez bardzo małe ułamki sekundy (miliardowe lub nawet znacznie mniej), a następnie rozpada się na silniejsze cząstki, czasami anihilując, więc instrumenty badawcze powinny je szybko wykryć po utworzeniu innych cząstek w wyniku kolizje.
Fizyka wysokich energii jest bardzo interesująca, ale jednocześnie trudno ją uznać za intuicyjną dla osoby próbującej ją zrozumieć bezpośrednio. Na szczęście podstawy są proste, a wyjaśnienia obserwacji tak jasne, że nie ma potrzeby skomplikowanego wstępu, gdy ogłaszane są odkrycia.
CERN to instytucja, która stale się rozwija
Ponieważ naukowcy zawsze starali się dawać cząstkom coraz więcej energii, konieczne było budowanie coraz większych urządzeń do ich przyspieszania, zwanych akceleratorami. Jednak nie od razu Rzym zbudowano, dlatego CERN jako pierwszy stworzył akceleratory, które dawały cząstkom niższą energię. Pierwsza tego typu instalacja od 1957 r. rozpędzała cząstki do energii 600 MeV (megaelektronowoltów, czyli milionów elektronowoltów). Dla porównania masa elektronu wyrażona w jednostkach stosowanych w fizyce cząstek elementarnych wynosi 0,511 MeV/c 2 (wynika to ze wzoru m = E/c 2 ), a masa elektronu 938 MeV/c 2 .
Linac 4, linak, który początkowo przyspiesza ujemne jony wodorowe.
Potem dołączały do nich coraz potężniejsze akceleratory, gdy wyczerpały się możliwości poprzedniej generacji. Obecnie w CERN działa LHC, Wielki Zderzacz Hadronów, zlokalizowany w tunelu o długości 27 km i głębokości 175 m. Starsze nadal funkcjonują i działają jako oryginalne akceleratory wiązki materii. Największym z nich jest SPS (Superproton Synchrotron), znajdujący się w tunelu o długości 7 km.
Wnętrze SPP, tunel o długości 7 km
Ciekawostka: Hadron w nazwie LHC to termin określający cząstki złożone z kwarków i bezmasowych gluonów, czyli cząstki elementarne, które pośredniczą w silnych oddziaływaniach. Są to najsilniejsze znane nam oddziaływania, działające jednocześnie na bardzo małą odległość, porównywalną z wielkością np. protonu. Hadron to między innymi proton, neutron.
CIEKAWOSTKA: Wcześniej w każdym domu znajdowały się proste akceleratory liniowe, czyli przyspieszające elektrony wzdłuż linii. Były częścią kineskopów, telewizorów i monitorów. Dlatego od czasu do czasu konieczne było rozmagnesowanie maski kineskopu, a w konstrukcjach nieekranowanych dynamika mogła zakłócić prawidłowe wyświetlanie obrazu.
LHC zastąpił akcelerator LEP (Large Electron Positron Collider) o energii zderzenia ponad 200 GeV (gigaelektronowoltów lub miliardów elektronowoltów).
Po zamknięciu LEP w 2000 roku w tunelu pierścieniowym pod granicą szwajcarsko-francuską rozpoczęto instalację urządzeń przyspieszających LHC, które ostatecznie uruchomiono w 2008 roku. Ten jest w stanie zapewnić energię zderzeń na poziomie kilku TeV ( teraelektronowoltów, czyli biliony elektronowoltów), ale te wartości osiągano stopniowo.
Działanie LHC dzieli się na tzw. rozruchy i długie przestoje, podczas których sprzęt jest unowocześniany w celu uzyskania jeszcze wyższych energii. Drugi okres wyłączenia (długa przerwa 2) właśnie się zakończył, a LHC wkracza w trzeci okres wyłączenia (Run3).
Po trzyletniej przerwie, 22 kwietnia 2022 r. LHC rozpoczął trzeci etap prac, który potrwa do 2026 r. Następnie zostanie ponownie wyłączony, zmodernizowany po raz trzeci
Jak działa BAC?
Cząstki w LHC są przyspieszane w polu elektrycznym, a pole magnetyczne jest wykorzystywane do zaginania ich trajektorii. Najpierw wiązka jonów wodorowych, a potem same protony, są najpierw przyspieszane w mniejszych akceleratorach, najpierw do 160 MeV, potem do 2 GeV, potem do 25 GeV, a na końcu do 450 GeV, a na koniec wchodzą do 27-kilometrowego tunelu LHC .
Dla zainteresowanych. Schemat kompleksu akceleratora CERN. LHC jest głównym, ale nie jedynym narzędziem w całej gałęzi urządzeń przyspieszających cząstki do ogromnych energii.
Kiedy wiązka cząstek w tunelu LHC osiągnie odpowiednią energię, zostaje wyrzucona do obiektu testowego, gdzie zderza się z inną wiązką (stąd nazwa zderzacz). Dlatego mówiąc o energii zderzenia 14 TeV w LHC mamy na myśli zderzenie (podobnie jak zderzenie samochodów jadących z przeciwnych kierunków) nadjeżdżających wiązek cząstek (w tym przypadku protonów) o energii 7 TeV każda .
Przyspieszenie za pomocą pola elektrycznego, z oczywistych względów, jest możliwe tylko dla naładowanych cząstek lub jonów. Wiązki neutralnie naładowanych cząstek powstają w wyniku zderzeń lub rozpadu izotopów promieniotwórczych.
Przekrój rury, w którym cząstki są przyspieszane
Zderzenia występują wewnątrz detektorów w różnych celach. Na przykład ATLAS jest detektorem uniwersalnym. ALICE skupia się na obserwacji zderzeń jonów, które często są masywniejszymi, ale naładowanymi cząsteczkami. Pozostałe dwa główne detektory to CMS i LHCb. Pierwszy służy m.in. do badania założeń Modelu Standardowego, w tym bozonów Higgsa (istnienie cząstek o podobnych właściwościach potwierdzono w 2012 roku), a także do poszukiwania cząstek, które mogą tworzyć ciemną materię lub dostarczać bramy do innych wymiarów. Drugi skupia się na analizie różnic między materią a antymaterią.
To zdjęcie pokazuje rozmiar detektora, na przykład ALICE
Стандартная модель является наиболее широко принятой теорией, описывающей физику элементарных чанстистицаи Все, что происходит w нашей Вселенной, следует из стандартной модели.
Какова была цель второй модернизации БАК?
На этом этапе LHC вошел w HL-LHC, lub High Luminosity, Большого адронного коллайдера. Яркость в данном случае означает интенсивность пучка частиц, которая будет увеличена означает интенсивность пучка частиц, которая будет увеличена. Столкновения таких ярких пучков частиц представляют собой гораздо более богатые резервуары других частиц, а поскольку в такой физике важна вероятность, то чем больше явлений, тем больше шансов, что мы увидим самые интересные из них. Также будет собрано больше данных, а это значит, что модернизация оборудования также заставит модернизитер.
Referencje dla HL-LHC provodytsya paralelle s текущей фазой экспериментов i, как ожидается, заверитерится 20 lipca
Между тем, в ходе второй модернизации БАК была модернизирована часть комплекса, связанная связанная инжекциконной пиплекса. Были установлены более сильные магниты, новые источники питания, способные генерировать ток силой 5500 А, а также повышен КПД местных электростанций, мощность которых измеряется мегаваттами (лишь два новых усилителя радиочастоты имеют мощность по 1,6 МВт каждый) ..
В существующих детекторах была заменена электроника, они были расширены, а в случае с LHCb они даже были построены с нуля alice обзавелся новыми сенсорами, которые увеличат количество детектирований в несколько десятков раз.
Tacy najczęściej zgłaszane są nowe ekspresy FASER i SND @ LHC. Первый — обнаружение очень слабо взаимодействующих частиц, в том числе тех, которые могут быть комподействующих частиц Второй сосредоточится на наблюдении за нейтрино, также очень слабо взаимодействующей формой материи, не имеющей заряда, незначительной по массе, но способной нести много энергии. Нейтрино являются ключевыми частицами, среди прочего, в том, как функционируют астрономические обекты.
В настоящее время интенсивность потоков частиц в БАК будет постепенно увеличиваться, чаще будут астиц астиц в БАК будет постепенно увеличиваться, чаще будут потоков астиц в К увеличиваться
Ostatnią istotną modernizacją jest udoskonalenie systemu przeciwpożarowego, który jest w stanie wykryć i zassać powietrze w obszarach tuneli LHC nawet na odległość 700 m. Dzięki temu system przeciwpożarowy w tunelu samochodowym pod warszawskim Ursynowem staje się czymś bardzo prostym, choć trudno porównywać oba rozwiązania.
Źródło: CERN, inf. jego
Dodaj komentarz