Ученые всего мира надеются, что исследования, проводимые на БАК, позволят экспериментально изучить свойства бозона Хиггса. Кроме того, большой интерес представляют исследования кварков — элементарных частиц, из которых состоят адроны. В частности, из-за них коллайдер назвали адронным.
Большой Адронный Коллайдер
детекторы и прекурсоры БАК. Орбита протонов p (и тяжелых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точке p или Pb). Затем частицы попадают в протонный синхротронный усилитель (PS), через него в суперпротонный синхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в туннель БАК. Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на рисунке, расположены рядом с детекторами CMS и ATLAS, соответственно.
Большой адронный коллайдер (БАК ; сокращенно БАК) — ускоритель заряженных частиц во встречно вращающихся пучках, предназначенный для ускорения протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их столкновений. Ускоритель был построен в Европейском совете по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) в Женеве. По состоянию на 2008 год БАК является крупнейшей экспериментальной установкой в мире.
БАК получил название Large из-за своих размеров: длина главного кольца ускорителя составляет 26 659 м 1 ; адронным — Это происходит потому, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков, коллайдероm (сталкиваются), так как пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенных точках. 2
Содержание
В начале двадцатого века в физике возникли две фундаментальные теории — общая теория относительности Альберта Эйнштейна (ОТО), которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, чтобы адекватно описать процессы в черных дырах, нужно, чтобы обе теории противоречили друг другу.
Эйнштейн много лет пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырех фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывается ОТО, так что фундаментальные взаимодействия в настоящее время описываются двумя общепринятыми теориями: GR и CM. Их объединение еще не достигнуто из-за трудностей в разработке теории квантовой гравитации.
Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в единую теорию используются различные подходы: Теория струн, развитая в М-теории (теории мембран), теории супергравитации, квантовой петлевой гравитации и др. Некоторые из них чреваты проблемами, и ни для одного из них нет экспериментального подтверждения. Проблема заключается в том, что для соответствующих экспериментов требуются энергии, которые недостижимы на современных ускорители заряженных частиц.
БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны, и, возможно, подтвердит или опровергнет некоторые из этих теорий. Например, существует целый ряд физических теорий с более чем четырьмя измерениями, которые требуют существования «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн, поскольку без суперсимметрии она теряет свой физический смысл. Поэтому подтверждение существования суперсимметрии будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.
Изучение топ-кварков
Топ-кварк — самый тяжелый кварк и, более того, самая тяжелая элементарная частица, обнаруженная на сегодняшний день. Согласно последним результатам Теватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c² 3. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался только в одном ускорителе — Теватроне, а в других ускорителях не хватало энергии для его получения. Более того, топ-кварки представляют интерес физиков не только сами по себе, но и как «функциональные инструмент» для исследования бозона Хиггса. Одним из наиболее важных каналов рождения бозонов Хиггса на БАК является одновременное рождение с верхней кварк-антикварковой парой. Для того чтобы надежно отделить такие события от фона, необходимо сначала хорошо изучить свойства самих топ-кварков.
Изучение механизма электрослабой симметрии
Одна из главных целей проекта — экспериментально доказать существование бозона Хиггса, частицы, открытой шотландским физиком Питером Хиггсом в 1960 году как часть Стандартной модели. Бозон Хиггса — это квант так называемого поля Хиггса, благодаря которому частицы испытывают притяжение, которое мы считаем массой. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/см²), физиков не столько сам бозон Хиггса, сколько механизм Хиггса, нарушающий симметрию электрослабого взаимодействия. Изучение этого механизма потенциально может привести к физиков новая теория мира, которая глубже, чем КМ.
История строительства
Идея проекта «Большой взрыв адронного коллайдера была запущена в 1984 году и официально утверждена десять лет спустя. Его строительство началось в 2001 году, после завершения строительства предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера. коллайдера.
Коллайдер предназначен для столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ (т.е. 14 тераэлектронвольт или 14-10 12 электронвольт) в системе центра масс сталкивающихся частиц и ядер свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5-10 9 электронвольт) для каждой пары сталкивающихся нуклонов. Это сделает БАК самым высокоэнергетическим ускорителем частиц в мире, превзойдя своего ближайшего конкурента — протон-антипротонный коллайдер. коллайдер Теватрон, работающий в настоящее время в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (США), и релятивистский коллайдер RHIC на тяжелых ионах в Брукхейвенской лаборатории (США).
Ускоритель расположен в том же туннеле, где ранее находился Большой электрон-позитронный коллайдер. коллайдер. Туннель, окружность которого составляет 26,7 км, расположен примерно в 100 метрах под землей во Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции пучков протонов используются 1 624 сверхпроводящих магнита общей длиной более 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 К (-271 °C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов было завершено 19 ноября 2006 года.
Испытания
2008 год
11 августа первая часть предварительных испытаний была успешно завершена. 4 Во время испытаний пучок заряженных частиц прошел чуть более трех километров через одно из колец БАК. Это позволило ученым проверить синхронизацию ускорителя-предшественника, так называемого протонного сверхпроводника (SPS), и соответствующей системы наведения пучка. Эта система передает ускоренные лучи в главное кольцо таким образом, что они начинают двигаться в кольце по часовой стрелке. В результате испытаний можно было оптимизировать работу системы.
Второй этап испытаний был проведен 24 августа. Проведено испытание инжекции протонов против часовой стрелки в кольцо ускорителя LHC. 5
Официальное открытие состоялось 10 сентября. коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени 6 (12:28 по московскому времени 7) выброшенный протонный пучок успешно прошел весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени 8 пучок протонов против часовой стрелки также успешно прошел через весь периметр. коллайдера.
12 сентября, примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить циркулирующий пучок и поддерживать его в течение 10 минут. Через некоторое время луч был перезапущен и циркулировал непрерывно, останавливаясь только при необходимости. На этом работы по установке круговой балки были завершены, и физики приступили к детальным испытаниям магнитной системы. 9
19 сентября в 14:05 по московскому времени во время испытаний магнитной системы в секторе 3-4 (34) произошел инцидент, вызвавший сбой в работе БАК. 10 Согласно предварительным исследованиям, которые позже были подтверждены и уточнены, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился из-за дуги, вызванной повышенным током, который пробил изоляцию системы охлаждения гелия (криогенной системы), что привело к утечке около 6 тонн жидкого гелия в туннель и резкому повышению температуры. Для восстановления криогенной системы эту часть ускорителя необходимо вернуть к комнатной температуре и после ремонта снова охладить до рабочей температуры.
