Большие машины физики Большой адронный коллайдер

Генеральная тенденция продвижения исследований в область все более высоких энергий эквивалентна обратному движению во времени к начальному образованию Вселенной из сингулярности, в результате Большого Взрыва. При этом образование и раннюю эволюцию Вселенной рассматривают как эксперимент в физике частиц сверхвысоких энергий.

ЦЕРН – западноевропейский центр ядерных исследований создан в 1954 году близ Женевы для экспериментальных и теоретических исследований в физике элементарных частиц. Число членов сейчас 20. Россия и США имеют статус наблюдателя. В ЦЕРНЕ постоянно работают 2500 человек. Еще 8000 физиков и инженеров из 580 университетов и институтов 85 стран участвуют в различных экспериментах временно.

В 1987 г.в ЦЕРНЕ был запущен Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). В нем электроны и позитроны ускорялись в накопительном кольце длиной 27 км, и затем сталкивались, выделяя энергию 180 Гэв. В середине 90-х г 20 века он был демонтирован, а тоннель был использован для ускорительного кольца БАК.

В 1996 г ЦЕРН приступил к сооружению Большого адронного коллайдера (БАК) – протон-протонного ускорителя на встречных пучах нового поколения. После 13 лет строительства в конце 2008 г осуществлен пробный запуск коллайдера. Стоимость БАК 8 млрд.$. Таким образом, ЦЕРН становится ведущим мировым центром исследований в физике в настоящее время (2010 г).Потребуется несколько лет, чтобы вывести БАК на проектные параметры.

Большой адронный коллайдер («сталкиватель») (БАК или LHC) –комплекс ускорительных установок,соединенных каналами транспортирующими пучки протонов. Он состоит из трех ускорителей:

0 ступень –базовый ускоритель - инжектор подает протоны с энергией 50 Мэв подает в бустер (промежуточный накопитель) и затем в первую ступень.

1 ступень -протонный синхротрон (PS) с энергией ~26 Гэв, далее вторая ступень.

2 ступень –синхрофазотрон (протонный суперсинхротрон) (SPS), на выходе которого протоны имеют энергию ~ 450 Гэв периметр этого ускорителя 6,9 км, он расположен под землей на глубине 40 м, последняя третья ступень –большое ускорительное кольцо (LHC).

Новой является 3 ступень - большой ускоритель, расположенный в кольцевом тоннеле длиной 27 км на глубине 50- 175 м. Почти 7 тыс. сверхпроводящих магнитов общим весом 4000 тонн, по которым потечет ток 1,8 млн ампер, направляют два пучки протонов с энергией 7 Тэв =7 10¹² эв по вакуумным трубам навстречу друг другу. Трубы пересекаются в четырех точках, в каждой расположены по одной экспериментальной установке. Эти детекторы CMC, LHCb, ATLAS, ALICE, которые имеют собственные центры управления, независимые от центра управления всем ускорительным коплексом. Обработка потоков информации с детекторных установок будет осуществлятся иерархической глобальной информационной сетью суперкомпьютеров связанных высокоскоростными линиями связи в пропускной способность Гбайт/сек.

CMC (компактный мюонный соленоид) – огромный детектор общего назначения. содержит 5 огромных цилиндрических слоев детекторов и концевые крышки. Предназначен для поиска бозонов Хиггса и других новых явлений.

LHCb - детектор расположен по одну сторону от точки столкновения. Предназначен для поиска красивых «b» кварков.

ATLAS- тороидальная установка –детектор общего назначения с уникальной конструкцией, основанной на тороидальных магнитах вместо традиционного соленоида. Большие диски детекторов регистрируют ключевые частицы (мюоны). Основная цель эксперимента с детектором АТLAS – обнаружить бозон Хиггса. Ежесекундно в детекторе будет происходить 800 млн столкновений протонов, а вероятность наблюдения хиггсовского бозона 10 ^-13 ,т.е. один в день.

ALICE (Большой эксперимент на коллайдере ионов)- установка для изучения образования кварк-глюоннной плазмы. В этом состоянии находилось вещество на ранней стадии образования Вселенной. Ионы свинца при энергиях в 300 раз выше прежних экспериментов будут сталкиваться во встречных пучках. Также будут изучаться протон-протонные столкновения, как опорная точка для других экспериментов.

Цели для БАК:

Главная цель состоит в подтверждении ранее открытых частиц и явлений (например, получении нескольких истинных t -кварков в секунду) и исследование их с большей точностью.

Осуществить поиск бозов Хиггса- квантов нового взаимодействия Хиггса, которое ограничивает дальность слабого взаимодействия. Бозон Хиггса взаимодействует с W- и Z-бозонами, а также кварками и лептонами, наделяя их массой. Бозоны Хиггса –кванты нового поля Хиггса, якобы существующего в природе.

Решить проблему йерархии: частицы с энергиями до10¹⁵ Гэв воздействуя на бозон Хиггса должны придать ему сравнительно высокую массу, однако его масса, по косвенным экспериментальным данным не больше 1 Тэв.

Определить частицы нового типа, составляющие темную материю.

Проверить существование дополнительных скрытых измерений пространства –времени или с-частиц суперсимметрии.