Kaj pa, če bi bilo mogoče opazovati temeljne gradnike, na katerih temelji Vesolje? Ni problem! Vse, kar bi potrebovali, je ogromen pospeševalnik delcev, dovolj velik podzemni objekt, da prečka mejo med dvema državama, in sposobnost pospeševanja delcev do točke, ko se med seboj uničijo – sproščajo energijo in maso, ki ju lahko nato opazujete s serijo. posebnih monitorjev.
No, na srečo takšen objekt že obstaja in je znan kot Veliki trdi trkalnik CERN (LHC), znan tudi kot pospeševalnik delcev CERN. V obsegu meri približno 27 kilometrov in se nahaja globoko pod površjem blizu Ženeve v Švici, je največji pospeševalnik delcev na svetu. In odkar je CERN preklopil stikalo, je LHC resno osvetlil nekatere globlje skrivnosti vesolja.
Namen:
Trkalniki so po definiciji vrsta pospeševalnika delcev, ki se zanaša na dva usmerjena snopa delcev. V teh instrumentih se delci pospešujejo do zelo visokih kinetičnih energij in nato trčijo med seboj. Znanstveniki nato analizirajo stranske produkte teh trkov, da bi ugotovili strukturo subatomskega sveta in zakone, ki ga urejajo.
Veliki hadronski trkalnik je najmočnejši pospeševalnik delcev na svetu. Zasluge: CERN
Namen trkalnikov je simulirati vrsto visokoenergijskih trkov za proizvodnjo stranskih produktov delcev, ki sicer ne bi obstajali v naravi. Še več, te vrste stranskih produktov delcev razpadejo po zelo kratkem času, zato jih je v normalnih pogojih težko ali skoraj nemogoče preučiti.
Izraz hadron se nanaša na sestavljene delce, sestavljene iz kvarkov, ki jih skupaj drži močna jedrska sila, ena od štirih sil, ki urejajo interakcijo delcev (druge so šibka jedrska sila, elektromagnetizem in gravitacija). Najbolj znani hadroni so barioni – protoni in nevtroni –, vključujejo pa tudi mezone in nestabilne delce, sestavljene iz enega kvarka in enega antikvarka.
Oblikovanje:
LHC deluje tako, da pospešuje dva žarka »hadronov« – bodisi protonov ali svinčevih ionov – v nasprotnih smereh okoli svojega krožnega aparata. Hadroni nato trčijo, ko dosežejo zelo visoko raven energije, nastali delci pa se analizirajo in preučijo. Je največji visokoenergetski pospeševalnik na svetu, ki meri 27 km (17 milj) v obsegu in je v globini od 50 do 175 m (164 do 574 ft).
Predor, v katerem je trkalnik, je širok 3,8 metra (12 ft) in je bil prej uporabljen za namestitev Veliki trkalnik elektronov in pozitronov (ki je deloval med letoma 1989 in 2000). Ta predor vsebuje dve sosednji vzporedni snopi, ki se sekata na štirih točkah, od katerih vsaka vsebuje žarek, ki potuje v nasprotnih smereh okoli obroča. Žarek nadzoruje 1232 dipolnih magnetov, medtem ko se za ohranjanje fokusa žarkov uporablja 392 kvadrupolnih magnetov.
Superprevodni kvadrupolni elektromagneti se uporabljajo za usmerjanje žarkov do štirih presečišč, kjer bodo potekale interakcije med pospešenimi protoni.Zasluge: Wikipedia Commons/gamsiz
Skupno je uporabljenih približno 10.000 superprevodnih magnetov, ki jih približno 96 ton tekočega helija-4 vzdržuje pri delovni temperaturi -271,25 °C (-456,25 °F) – kar je le malo absolutne ničle. Zaradi tega je LHC tudi največji kriogeni objekt na svetu.
Pri izvajanju protonskih trkov se proces začne z linearnim pospeševalnikom delcev ( LINAC 2 ). Ko LINAC 2 poveča energijo protonov, se ti delci nato vbrizgajo v Protonski sinhrotronski ojačevalnik (PSB), ki jih pospešuje do visokih hitrosti.
Nato se vbrizgajo v Protonski sinhrotron (PS), nato pa na Super protonski sinhrtron (SPS), kjer se še dodatno pospešijo, preden se vbrizgajo v glavni pospeševalnik. Ko so tam, se protonski šopki kopičijo in pospešijo do svoje največje energije v obdobju 20 minut. Nazadnje krožijo v obdobju od 5 do 24 ur, v tem času pa pride do trkov na štirih križiščih.
Med krajšimi obdobji delovanja so v program vključeni trki težkih ionov (običajno svinčevi ioni). Svinčeve ione najprej pospeši linearni pospeševalnik LINAC 3 , in Nizkoenergijski ionski obroč (LEIR) se uporablja kot enota za shranjevanje ionov in hladilnik. Ione nato dodatno pospešita PS in SPS, preden se vbrizgajo v obroč LHC.
Medtem ko se protoni in svinčevi ioni trkajo, se za iskanje njihovih stranskih produktov uporablja sedem detektorjev. Ti vključujejo Toroidni LHC aparat (ATLAS) eksperiment in Kompaktni muonski solenoid (CMS), ki sta detektorja splošnega namena, zasnovana za opazovanje številnih različnih vrst subatomskih delcev.
Potem so tu še bolj specifični Eksperiment z velikim ionskim trkalnikom (ALICE) in Lepota velikega hadronskega trkalnika (LHCb) detektorji. Medtem ko je ALICE detektor težkih ionov, ki preučuje močno interakcijsko snov pri ekstremnih energijskih gostotah, LHCb beleži razpad delcev in poskuša filtrirati b in anti-b kvarke iz produktov njihovega razpada.
Potem so tu še trije majhni in visoko specializirani detektorji – TOTAL Merjenje elastičnega in difrakcijskega preseka (TOTEM) eksperiment, ki meri skupni presek, elastično sipanje in difrakcijske procese; the Detektor za monopol in eksotiko (MoEDAL), ki išče magnetne monopole ali masivne (psevdo)stabilne nabite delce; in Veliki hadronski trkalnik naprej (LHCf), ki spremljajo astrodelce (tudi kozmični žarki).
Zgodovina delovanja:
CERN, kar pomeni Evropski svet za jedrske raziskave (ali Evropski svet za jedrske raziskave v angleščini) je 29. septembra 1954 ustanovilo dvanajst zahodnoevropskih držav podpisnic. Glavni namen sveta je bil nadzorovati ustanovitev laboratorija za fiziko delcev v Ženevi, kjer bi se izvajale jedrske študije.
Ilustracija, ki prikazuje stranske produkte trkov svinčevih ionov, ki jih spremlja detektor ATLAS. Zasluge: CERN
Kmalu po nastanku je laboratorij presegel to in začel izvajati tudi raziskave visokoenergijske fizike. Vključuje tudi dvajset evropskih držav članic: Francijo, Švico, Nemčijo, Belgijo, Nizozemsko, Dansko, Norveško, Švedsko, Finsko, Španijo, Portugalsko, Grčijo, Italijo, Združeno kraljestvo, Poljsko, Madžarsko, Češko, Slovaško. , Bolgariji in Izraelu.
Gradnja LHC je bila odobrena leta 1995 in je bila prvotno načrtovana za dokončanje do leta 2005. Vendar pa so prekoračitve stroškov, znižanje proračuna in različne inženirske težave prestavili datum dokončanja na april 2007. LHC je bil prvič na spletu 10. septembra 2008, vendar je bilo prvo testiranje odloženo za 14 mesecev po nesreči, ki je povzročila veliko škodo na številnih ključnih komponent trkalnika (kot so superprevodni magneti).
20. novembra 2009 je bil LHC ponovno vklopljen in njegova prva vožnja je potekala od 2010 do 2013. Med tem zagonom je trčil dva nasprotna snopa delcev protonov in svinčevih jeder pri energijah 4 teraelektronvolte (4 TeV) in 2,76 TeV na nukleon oz. Glavni namen LHC je poustvariti razmere tik po velikem poku, ko so se zgodili trki med visokoenergetskimi delci.
Glavna odkritja:
Med prvim zagonom so odkritja LHC vključevala delec, ki naj bi bil dolgo iskani Higgsov bozon, ki je bil objavljen dne 4. julij 2012 . Ta delec, ki daje drugim delcem maso, je ključni del standardnega modela fizike. Zaradi svoje velike mase in izmuzljive narave je obstoj tega delca temeljil zgolj na teoriji in ni bil nikoli prej opažen.
Odkritje Higgsovega bozona in tekoče delovanje LHC sta raziskovalcem omogočila tudi raziskovanje fizike, ki presega standardni model. To je vključevalo teste glede teorija supersimetrije . Rezultati kažejo, da so nekatere vrste razpada delcev manj pogoste, kot predvidevajo nekatere oblike supersimetrije, vendar bi se lahko še vedno ujemale z napovedmi drugih različic teorije supersimetrije.
Maja 2011 so poročali, da je bila v LHC ustvarjena kvark-gluonska plazma (teoretično najgostejša snov poleg črnih lukenj). 19. novembra 2014 je eksperiment LHCb napovedal odkritje dva nova težka subatomska delca , oba sta bila bariona, sestavljena iz enega dna, enega navzdol in enega čudnega kvarka. The LHCb sodelovanje med prvim zagonom opazili tudi več eksotičnih hadronov, morda pentakvarke ali tetrakvarke.
Od leta 2015 LHC izvaja drugo vožnjo. V tem času je bil posvečen potrditvi odkrivanja Higgsovega bozona in nadaljnjemu raziskovanju teorije supersimetrije in obstoja eksotičnih delcev na višjih energijskih ravneh.
Detektor ATLAS, eden od dveh detektorjev splošnega namena na velikem hadronskem trkalniku (LHC). Zasluge: CERN
V prihodnjih letih je načrtovana serija nadgradenj LHC, ki bodo zagotovile, da ne bo trpel zaradi zmanjšanja donosnosti. V letih 2017-18 naj bi LHC opravil nadgradnjo, ki bo povečala njegovo trčno energijo na 14 TeV. Poleg tega naj bi po letu 2022 detektor ATLAS prejel nadgradnjo, ki bo povečala verjetnost, da bo zaznal redke procese, znane kot LHC visoke svetilnosti .
Skupna raziskovalna prizadevanja, znana kot Raziskovalni program LHC Accelerator (LARP) trenutno izvaja raziskave, kako še nadgraditi LHC. Predvsem med temi so povečanja toka žarka in sprememba dveh interakcijskih območij visoke svetilnosti ter detektorja ATLAS in CMS.
Kdo ve, kaj bo LHC odkril od danes do dneva, ko bodo končno izklopili napajanje? S srečo bo osvetlil globlje skrivnosti vesolja, ki bi lahko vključevali globoko strukturo prostora in časa, presečišče kvantne mehanike in splošne relativnosti, odnos med materijo in antimaterijo ter obstoj 'temne snovi'. ”.
Za Universe Today smo napisali veliko člankov o CERN-u in LHC-ju. tukaj Kaj je Higgsov bozon? , Hype Machine se izprazni, potem ko podatki CERN ne kažejo novih delcev , Spet BICEP2? Raziskovalci dvomijo o odkritju Higgsovega bozona , Najdena dva nova subatomska delca , Ali bo kmalu najavljen nov delec? , Fiziki Morda, Samo Morda, potrjujejo možno odkritje 5. Sile narave .
Če želite več informacij o velikem hadronskem trkalniku, si oglejte Domača stran LHC , in tukaj je povezava do Spletno mesto CERN .
Astronomy Cast ima tudi nekaj epizod na to temo. Poslušaj tukaj, Epizoda 69: Veliki hadronski trkalnik in iskanje Higgsovega bozona in Epizoda 392: Standardni model – Uvod .
Viri:
