Fráza „Veľký hadrónový urýchľovač“ je tak hlboko zakorenená v masmédiách, že o tejto inštalácii vie drvivá väčšina ľudí, vrátane tých, ktorých aktivity nijako nesúvisia s fyzikou elementárnych častíc a vôbec s vedou.

Médiá totiž nemohli ignorovať taký rozsiahly a nákladný projekt – prstencovú inštaláciu dlhú takmer 27 kilometrov v hodnote desiatok miliárd dolárov, s ktorou pracuje niekoľko tisíc výskumníkov z celého sveta. K popularite urýchľovača výrazne prispela takzvaná „božia častica“ alebo Higgsov bozón, ktorý bol úspešne propagovaný a za ktorý Peter Higgs dostal v roku 2013 Nobelovu cenu za fyziku.

V prvom rade treba poznamenať, že Veľký hadrónový urýchľovač nevznikol od nuly, ale vznikol na mieste svojho predchodcu, Veľkého elektrón-pozitrónového urýchľovača (LEP). Práce na 27-míľovom tuneli sa začali v roku 1983, kde sa neskôr plánovalo nájsť urýchľovač, ktorý by zrazil elektróny a pozitróny. V roku 1988 sa kruhový tunel uzavrel, pričom robotníci k tunelu pristupovali tak opatrne, že rozdiel medzi oboma koncami tunela bol len 1 centimeter.

Urýchľovač fungoval do konca roku 2000, kedy dosiahol svoj vrchol – energiu 209 GeV. Potom sa začala jeho demontáž. Za jedenásť rokov svojej práce priniesol LEP do fyziky množstvo objavov vrátane objavu W a Z bozónov a ich ďalšieho výskumu. Na základe výsledkov týchto štúdií sa dospelo k záveru o podobnosti mechanizmov elektromagnetických a slabých interakcií, v dôsledku čoho sa začali teoretické práce na kombinovaní týchto interakcií do elektroslabých.

V roku 2001 sa na mieste elektrón-pozitrónového urýchľovača začala výstavba Veľkého hadrónového urýchľovača. Výstavba nového urýchľovača bola ukončená koncom roka 2007. Nachádzal sa na mieste LEP – na hranici medzi Francúzskom a Švajčiarskom, v údolí Ženevského jazera (15 km od Ženevy), v hĺbke sto metrov. V auguste 2008 začali testy urýchľovača a 10. septembra sa uskutočnil oficiálny štart LHC. Rovnako ako v prípade predchádzajúceho urýchľovača, výstavbu a prevádzku zariadenia vedie Európska organizácia pre jadrový výskum – CERN.

CERN

V skratke stojí za zmienku organizácia CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Táto organizácia pôsobí ako najväčšie svetové laboratórium v ​​oblasti fyziky vysokých energií. Zahŕňa tri tisícky stálych zamestnancov a na projektoch CERN sa podieľa niekoľko tisíc ďalších výskumníkov a vedcov z 80 krajín.

V súčasnosti je účastníkmi projektu 22 krajín: Belgicko, Dánsko, Francúzsko, Nemecko, Grécko, Taliansko, Holandsko, Nórsko, Švédsko, Švajčiarsko, Spojené kráľovstvo - zakladatelia, Rakúsko, Španielsko, Portugalsko, Fínsko, Poľsko, Maďarsko, Česká republika, Pristúpilo Slovensko, Bulharsko a Rumunsko. Ako však bolo spomenuté vyššie, na práci organizácie, a najmä na Veľkom hadrónovom urýchľovači, sa tak či onak podieľa niekoľko desiatok ďalších krajín.

Ako funguje Veľký hadrónový urýchľovač?

Čo je to Veľký hadrónový urýchľovač a ako funguje, to sú hlavné otázky záujmu verejnosti. Pozrime sa na tieto otázky ďalej.

Collider (collider) - v preklade z angličtiny znamená "ten, kto sa zrazí." Úlohou takejto inštalácie je kolízia častíc. V prípade hadrónového urýchľovača zohrávajú úlohu častíc hadróny – častice zúčastňujúce sa silných interakcií. Toto sú protóny.

Získavanie protónov

Dlhá dráha protónov vzniká v duoplazmatróne – prvom stupni urýchľovača, kam vstupuje vodík vo forme plynu. Duoplazmatron je výbojová komora, kde sa cez plyn vedie elektrický výboj. Takže vodík, ktorý sa skladá iba z jedného elektrónu a jedného protónu, stráca svoj elektrón. Tak vzniká plazma – látka pozostávajúca z nabitých častíc – protónov. Samozrejme, je ťažké získať čistú protónovú plazmu, preto sa vytvorená plazma, ktorá obsahuje aj oblak molekulárnych iónov a elektrónov, filtruje, aby sa oddelil oblak protónov. Pod vplyvom magnetov sa protónová plazma vyžaruje do lúča.

Predbežné zrýchlenie častíc

Novovytvorený protónový lúč začína svoju cestu v lineárnom urýchľovači LINAC 2, čo je 30-metrový prstenec, ktorý je postupne zavesený na niekoľkých dutých valcových elektródach (vodičoch). Elektrostatické pole generované vo vnútri urýchľovača je odstupňované tak, že častice medzi dutými valcami vždy pôsobia zrýchľujúcou silou v smere ďalšej elektródy. Bez toho, aby sme sa v tejto fáze úplne zaoberali mechanizmom urýchľovania protónov, poznamenávame len, že na výstupe z LINAC 2 fyzici dostávajú lúč protónov s energiou 50 MeV, ktoré už dosahujú 31% rýchlosti svetla. Je pozoruhodné, že v tomto prípade sa hmotnosť častíc zvyšuje o 5%.

Do roku 2019-2020 sa plánuje nahradiť LINAC 2 za LINAC 4, ktorý urýchli protóny na 160 MeV.

Stojí za zmienku, že ióny olova sú tiež urýchlené na zrážači, čo umožní študovať kvark-gluónovú plazmu. Urýchľujú sa v prstenci LINAC 3, podobne ako LINAC 2. V budúcnosti sa plánujú aj experimenty s argónom a xenónom.

Potom protónové pakety vstupujú do protónovo-synchrónneho zosilňovača (PSB). Pozostáva zo štyroch nad sebou uložených prstencov s priemerom 50 metrov, v ktorých sú umiestnené elektromagnetické rezonátory. Elektromagnetické pole, ktoré vytvárajú, má vysokú intenzitu a častica, ktorá ním prechádza, získava zrýchlenie v dôsledku rozdielu potenciálov poľa. Takže už po 1,2 sekunde sa častice v PSB zrýchlia na 91 % rýchlosti svetla a dosiahnu energiu 1,4 GeV, po ktorej vstúpia do protónového synchrotrónu (PS). PS má priemer 628 metrov a je vybavený 27 magnetmi, ktoré vedú lúč častíc po kruhovej dráhe. Tu protóny dosahujú častice 26 GeV.

Predposledným prstencom pre urýchľovacie protóny je Superproton Synchrotron (SPS), ktorý má obvod 7 kilometrov. SPS vybavený 1 317 magnetmi urýchľuje častice na energiu 450 GeV. Asi po 20 minútach protónový lúč zasiahne hlavný prstenec – Veľký hadrónový urýchľovač (LHC).

Zrýchlenie a zrážka častíc na LHC

K prechodom medzi prstencami urýchľovačov dochádza prostredníctvom elektromagnetických polí vytvorených silnými magnetmi. Hlavný prstenec kolidera pozostáva z dvoch rovnobežných línií, v ktorých sa častice pohybujú po prstencovej dráhe v opačnom smere. Asi 10 000 magnetov je zodpovedných za udržiavanie kruhovej trajektórie častíc a ich nasmerovanie do bodov kolízie, pričom niektoré z nich vážia až 27 ton. Aby sa predišlo prehriatiu magnetov, používa sa okruh hélium-4, ktorým prúdi asi 96 ton hmoty pri teplote -271,25 °C (1,9 K). Protóny dosahujú energiu 6,5 TeV (to znamená energia zrážky 13 TeV), pričom ich rýchlosť je o 11 km/h menšia ako rýchlosť svetla. Protónový lúč teda prechádza cez veľký prstenec zrážača 11 000-krát za sekundu. Než dôjde k zrážke častíc, budú cirkulovať okolo prstenca 5 až 24 hodín.

K zrážke častíc dochádza v štyroch bodoch hlavného prstenca LHC, v ktorom sú umiestnené štyri detektory: ATLAS, CMS, ALICE a LHCb.

Detektory veľkých hadrónových urýchľovačov

ATLAS (toroidný LHC prístroj)

- je jedným z dvoch univerzálnych detektorov na veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC). Skúma široké spektrum fyziky, od hľadania Higgsovho bozónu až po častice, ktoré môžu tvoriť temnú hmotu. Hoci má rovnaké vedecké ciele ako experiment CMS, ATLAS využíva iné technické riešenia a odlišný dizajn magnetického systému.

Lúče častíc z LHC sa zrážajú v strede detektora ATLAS a vytvárajú kolízne úlomky vo forme nových častíc, ktoré sú emitované z miesta kolízie vo všetkých smeroch. Šesť rôznych detekčných subsystémov umiestnených vo vrstvách okolo bodu kolízie zaznamenáva dráhy, hybnosť a energiu častíc, čo umožňuje ich individuálnu identifikáciu. Obrovský systém magnetov ohýba dráhy nabitých častíc tak, aby bolo možné merať ich hybnosť.

Interakcie v detektore ATLAS vytvárajú obrovský dátový tok. Na spracovanie týchto údajov využíva ATLAS pokročilý „spúšťací“ systém, ktorý detektoru povie, ktoré udalosti má zaznamenať a ktoré ignorovať. Na analýzu zaznamenaných kolízií sa potom používajú sofistikované systémy na zber údajov a výpočty.

Detektor je 46 metrov vysoký a 25 metrov široký a váži 7000 ton. Tieto parametre robia z ATLASu najväčší detektor častíc, aký bol kedy vyrobený. Nachádza sa v tuneli v hĺbke 100 m neďaleko hlavného zariadenia CERN, neďaleko obce Meirin vo Švajčiarsku. Inštalácia pozostáva zo 4 hlavných komponentov:

• Vnútorný detektor je valcový, vnútorný prstenec je len niekoľko centimetrov od osi prechádzajúceho lúča častíc a vonkajší prstenec má priemer 2,1 metra a dĺžku 6,2 metra. Pozostáva z troch rôznych senzorových systémov ponorených do magnetického poľa. Vnútorný detektor meria smer, hybnosť a náboj elektricky nabitých častíc vznikajúcich pri každej zrážke protónov a protónov. Hlavnými prvkami interného detektora sú: Pixel Detector, Semi-Conductor Tracker (SCT) a Transition Radiation Tracker (TRT).

• Kalorimetre merajú energiu, ktorú častica stratí pri prechode cez detektor. Pohlcuje častice vznikajúce pri zrážke, čím fixuje ich energiu. Kalorimetre pozostávajú z vrstiev „absorpčného“ materiálu s vysokou hustotou – olova, striedajúcich sa s vrstvami „aktívneho média“ – tekutého argónu. Elektromagnetické kalorimetre merajú energiu elektrónov a fotónov pri interakcii s hmotou. Hadrónové kalorimetre merajú energiu hadrónov interagujúcich s atómovými jadrami. Kalorimetre dokážu zastaviť väčšinu známych častíc, okrem miónov a neutrín.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - kalorimeter ATLAS

• Miónový spektrometer – pozostáva zo 4000 jednotlivých miónových komôr, ktoré využívajú štyri rôzne technológie na identifikáciu miónov a meranie ich hybnosti. Mióny zvyčajne prechádzajú cez vnútorný detektor a kalorimeter, a preto je potrebný miónový spektrometer.

• Magnetický systém ATLAS ohýba častice okolo rôznych vrstiev detektorových systémov, čím uľahčuje sledovanie stôp častíc.

Experiment ATLAS (február 2012) zamestnáva viac ako 3000 vedcov zo 174 inštitúcií v 38 krajinách.

CMS (kompaktný miónový solenoid)

- je univerzálny detektor na veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC). Rovnako ako ATLAS má rozsiahly fyzikálny program, od štúdia Štandardného modelu (vrátane Higgsovho bozónu) až po hľadanie častíc, ktoré by mohli tvoriť temnú hmotu. Hoci má rovnaké vedecké ciele ako experiment ATLAS, CMS využíva iné technické riešenia a odlišný dizajn magnetického systému.

Detektor CMS je postavený na obrovskom solenoidovom magnete. Ide o valcovú cievku supravodivého kábla, ktorá generuje pole 4 Tesla, čo je približne 100 000-násobok magnetického poľa Zeme. Pole je ohraničené oceľovým „jarmom“, ktorý je najmasívnejším komponentom detektora s hmotnosťou 14 000 ton. Kompletný detektor je 21 m dlhý, 15 m široký a 15 m vysoký. Inštalácia pozostáva zo 4 hlavných komponentov:

• Solenoidový magnet je najväčší magnet na svete, ktorý slúži na ohýbanie trajektórie nabitých častíc emitovaných z miesta zrážky. Skreslenie trajektórie umožňuje rozlišovať medzi kladne a záporne nabitými časticami (pretože sa ohýbajú v opačných smeroch), ako aj merať hybnosť, ktorej veľkosť závisí od zakrivenia trajektórie. Obrovská veľkosť solenoidu umožňuje umiestniť sledovač a kalorimetre vo vnútri cievky.
• Silicon Tracker – Pozostáva zo 75 miliónov jednotlivých elektronických senzorov usporiadaných v sústredných vrstvách. Keď nabitá častica preletí vrstvami sledovača, odovzdá časť energie každej vrstve, kombinácia týchto bodov kolízie častice s rôznymi vrstvami umožňuje ďalej určiť jej trajektóriu.
• Kalorimetre - elektronické a hadrónové, pozri kalorimetre ATLAS.
• Sub-detektory - umožňujú detekciu miónov. Sú reprezentované 1400 miónovými komorami, ktoré sú umiestnené vo vrstvách mimo cievky, striedajú sa s kovovými platňami „hamutu“.

Experiment CMS je jedným z najväčších medzinárodných vedeckých výskumov v histórii, do ktorého sa zapojilo 4 300 ľudí: časticoví fyzici, inžinieri a technici, študenti a pomocný personál zo 182 inštitútov, 42 krajín (február 2014).

ALICE (experiment s veľkým urýchľovačom iónov)

- je detektor ťažkých iónov na prstencoch veľkého hadrónového urýchľovača (LHC). Je určený na štúdium fyziky silne interagujúcej hmoty pri extrémnych energetických hustotách, kde vzniká fáza hmoty nazývaná kvark-gluónová plazma.

Všetka bežná hmota v dnešnom vesmíre sa skladá z atómov. Každý atóm obsahuje jadro zložené z protónov a neutrónov (okrem vodíka, ktorý neutróny nemá), obklopené oblakom elektrónov. Protóny a neutróny sa zase skladajú z kvarkov viazaných spolu s inými časticami nazývanými gluóny. Žiadny kvark nebol nikdy pozorovaný izolovane: kvarky, ako aj gluóny sa zdajú byť spolu trvalo spojené a obmedzené v zložených časticiach, ako sú protóny a neutróny. Toto sa nazýva uväznenie.

Kolízie v LHC vytvárajú teploty viac ako 100 000-krát vyššie ako v strede Slnka. Zrážač poskytuje kolízie medzi iónmi olova a simuluje podmienky podobné tým, ktoré sa odohrali bezprostredne po veľkom tresku. V týchto extrémnych podmienkach sa protóny a neutróny „topia“, čím sa kvarky uvoľňujú z ich väzieb s gluónmi. Toto je kvark-gluónová plazma.

Experiment ALICE využíva detektor ALICE s hmotnosťou 10 000 ton, dĺžkou 26 m, výškou 16 m a šírkou 16 m. Zariadenie pozostáva z troch hlavných súprav komponentov: sledovacie zariadenia, kalorimetre a detektory identifikácie častíc. Je tiež rozdelená do 18 modulov. Detektor sa nachádza v tuneli v hĺbke 56 m nižšie, neďaleko obce Saint-Denis-Pouilly vo Francúzsku.

Experiment zamestnáva viac ako 1000 vedcov z viac ako 100 fyzikálnych inštitútov v 30 krajinách.

LHCb (experiment krásy s veľkým hadrónovým urýchľovačom)

- V rámci experimentu sa uskutočňuje štúdium malých rozdielov medzi hmotou a antihmotou štúdiom typu častíc nazývaných „kvark krásy“ alebo „kvark b“.

Namiesto toho, aby bol celý bod kolízie obklopený uzavretým detektorom ako ATLAS a CMS, experiment LHCb používa sériu subdetektorov na detekciu prevažne predných častíc - tých, ktoré boli nasmerované dopredu v dôsledku kolízie v rovnakom smere. Prvý subdetektor je inštalovaný blízko bodu kolízie a zvyšok - jeden po druhom vo vzdialenosti 20 metrov.

Na LHC sa vytvára veľké množstvo rôznych typov kvarkov predtým, ako sa rýchlo rozložia na iné formy. Na zachytenie b-kvarkov boli pre LHCb vyvinuté sofistikované pohyblivé sledovacie detektory, ktoré sa nachádzajú v blízkosti pohybu lúča častíc cez zrážač.

5600 tonový detektor LHCb pozostáva z priameho spektrometra a plochých detektorov. Je 21 metrov dlhý, 10 metrov vysoký a 13 metrov široký a je 100 metrov pod zemou. Do experimentu LHCb (október 2013) je zapojených asi 700 vedcov zo 66 rôznych inštitútov a univerzít.

Ďalšie experimenty na urýchľovači

Okrem vyššie uvedených experimentov na Veľkom hadrónovom urýchľovači existujú dva ďalšie experimenty s inštaláciami:

• LHCf (veľký hadrónový urýchľovač vpred)- študuje častice vrhnuté dopredu po zrážke lúčov častíc. Napodobňujú kozmické žiarenie, ktoré vedci skúmajú v rámci experimentu. Kozmické žiarenie sú prirodzene sa vyskytujúce nabité častice z vesmíru, ktoré neustále bombardujú zemskú atmosféru. Zrážajú sa s jadrami v hornej atmosfére a spôsobujú kaskádu častíc, ktoré sa dostanú na úroveň zeme. Štúdium toho, ako zrážky vo vnútri LHC spôsobujú takéto časticové kaskády, pomôže fyzikom interpretovať a kalibrovať rozsiahle experimenty s kozmickým žiarením, ktoré môžu pokrývať tisíce kilometrov.

LHCf pozostáva z dvoch detektorov, ktoré sú umiestnené pozdĺž LHC, vo vzdialenosti 140 metrov na oboch stranách kolízneho bodu ATLAS. Každý z dvoch detektorov váži iba 40 kilogramov a meria 30 cm na dĺžku, 80 cm na výšku a 10 cm na šírku. Na experimente LHCf sa podieľa 30 vedcov z 9 ústavov v 5 krajinách (november 2012).

• TOTEM (celkový prierez, elastický rozptyl a difrakčná disociácia)- experimentujte s najdlhšou inštaláciou pri zrážači. Jeho úlohou je študovať samotné protóny presným meraním protónov vznikajúcich pri zrážkach pod malými uhlami. Táto oblasť je známa ako "dopredný" smer a nie je dostupná pre iné experimenty LHC. Detektory TOTEM siahajú takmer pol kilometra okolo interakčného bodu CMS. TOTEM má takmer 3 000 kg vybavenia vrátane štyroch jadrových ďalekohľadov a 26 rímskych detektorov hrncov. Posledný typ umožňuje umiestniť detektory čo najbližšie k lúču častíc. Experiment TOTEM zahŕňa približne 100 vedcov zo 16 inštitútov v 8 krajinách (august 2014).

Prečo je potrebný Veľký hadrónový urýchľovač?

Najväčšie medzinárodné vedecké zariadenie skúma širokú škálu fyzikálnych problémov:

• Štúdium top kvarkov. Táto častica je nielen najťažším kvarkom, ale aj najťažšou elementárnou časticou. Štúdium vlastností top kvarku má zmysel aj preto, že ide o výskumný nástroj.
• Hľadanie a štúdium Higgsovho bozónu. Hoci CERN tvrdí, že Higgsov bozón bol objavený už (v roku 2012), zatiaľ sa o jeho povahe vie veľmi málo a ďalší výskum by mohol objasniť mechanizmus jeho fungovania.

• Štúdium kvark-gluónovej plazmy. Pri zrážkach jadier olova pri vysokých rýchlostiach vzniká v zrážači. Jeho výskum môže priniesť výsledky užitočné ako pre jadrovú fyziku (zdokonalenie teórie silných interakcií), tak aj pre astrofyziku (štúdium vesmíru v prvých okamihoch jeho existencie).
• Hľadajte supersymetriu. Tento výskum je zameraný na vyvrátenie alebo dokázanie "supersymetrie" - teórie, že každá elementárna častica má ťažšieho partnera, nazývaného "superčastica".
• Výskum kolízií fotónov a fotónov a hadrónov. Zlepší to pochopenie mechanizmov procesov takýchto zrážok.
• Testovanie exotických teórií. Do tejto kategórie úloh patria tie najnetradičnejšie – „exotické“, napríklad hľadanie paralelných vesmírov vytváraním miničiernych dier.

Okrem týchto úloh existuje mnoho ďalších, ktorých riešenie tiež umožní ľudstvu porozumieť prírode a svetu okolo nás na kvalitnejšej úrovni, čo následne otvorí možnosti pre tvorbu nových technológií.

Praktické výhody veľkého hadrónového urýchľovača a základná veda

V prvom rade si treba uvedomiť, že základný výskum prispieva k základnej vede. Aplikáciou týchto poznatkov sa zaoberá aplikovaná veda. Segment spoločnosti, ktorý si neuvedomuje výhody fundamentálnej vedy, často nevníma objav Higgsovho bozónu alebo vytvorenie kvark-gluónovej plazmy ako niečo významné. Súvislosť medzi takýmto štúdiom a životom bežného človeka nie je zrejmá. Vezmime si rýchly príklad z jadrovej energie:

V roku 1896 objavil francúzsky fyzik Antoine Henri Becquerel fenomén rádioaktivity. Dlho sa verilo, že ľudstvo sa tak skoro nepresunie na jeho priemyselné využitie. Len päť rokov pred spustením prvého jadrového reaktora v histórii veľký fyzik Ernest Rutherford, ktorý v roku 1911 skutočne objavil atómové jadro, povedal, že atómová energia nikdy nenájde svoje využitie. Svoj postoj k energii obsiahnutej v jadre atómu sa odborníkom podarilo prehodnotiť v roku 1939, keď nemeckí vedci Lisa Meitner a Otto Hahn zistili, že jadrá uránu sa po ožiarení neutrónmi rozdelia na dve časti, pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie – jadrová energie.

A až po tomto poslednom odkaze v rade zásadných výskumov prišla na rad aplikovaná veda, ktorá na základe týchto objavov vynašla zariadenie na získavanie jadrovej energie – atómový reaktor. Rozsah objavu možno odhadnúť pohľadom na podiel elektriny vyrobenej jadrovými reaktormi. Napríklad na Ukrajine tvoria jadrové elektrárne 56 % výroby elektriny a vo Francúzsku spolu 76 %.

Všetky nové technológie sú založené na tých či oných základných poznatkoch. Tu je niekoľko ďalších krátkych príkladov:

• V roku 1895 si Wilhelm Konrad Roentgen všimol, že fotografická platňa vplyvom röntgenových lúčov stmavne. Dnes je rádiografia jednou z najpoužívanejších štúdií v medicíne, ktorá vám umožňuje študovať stav vnútorných orgánov a odhaliť infekcie a opuchy.
• V roku 1915 Albert Einstein navrhol svoj vlastný. Dnes sa táto teória berie do úvahy, keď fungujú satelity GPS, ktoré určujú polohu objektu s presnosťou niekoľkých metrov. GPS sa používa v mobilnej komunikácii, kartografii, monitorovaní vozidiel, ale predovšetkým v navigácii. Chyba satelitu, ktorý nezohľadňuje všeobecnú teóriu relativity, by sa od okamihu štartu zvýšila o 10 kilometrov denne! A ak chodec môže použiť svoju myseľ a papierovú mapu, piloti dopravného lietadla sa ocitnú v ťažkej situácii, pretože v oblakoch nie je možné navigovať.

Ak sa dnes praktické využitie objavov, ku ktorým došlo na LHC, ešte nenašlo, neznamená to, že sa vedci „márne motajú s urýchľovačom“. Ako viete, Homo sapiens má vždy v úmysle vyťažiť z dostupných poznatkov maximum praktického využitia, a preto poznatky o prírode nahromadené v procese výskumu na LHC, skôr či neskôr určite nájdu svoje uplatnenie. Ako už bolo demonštrované vyššie, spojenie medzi základnými objavmi a technológiami, ktoré ich využívajú, niekedy nemusí byť vôbec zrejmé.

Na záver si všimnime takzvané nepriame objavy, ktoré nie sú stanovené ako prvotné ciele štúdie. Sú celkom bežné, keďže zásadný objav si zvyčajne vyžaduje zavedenie a použitie nových technológií. Takže vývoj optiky dostal impulz od základného vesmírneho výskumu založeného na pozorovaniach astronómov cez ďalekohľad. V prípade CERN-u sa takto objavila všadeprítomná technológia – internet, projekt navrhnutý Timom Berners-Lee v roku 1989 na uľahčenie vyhľadávania údajov CERNu.

Natalia Demina navštívila Európske centrum pre jadrový výskum (CERN) v predvečer jeho 60. narodenín. Je presvedčená, že po modernizácii bude Veľký hadrónový urýchľovač pripravený na nové objavy.

Nikdy som nešiel na bicykli tunelom LHC. Hoci dve desiatky bicyklov zavesené na špeciálnom nosiči alebo opreté o stenu jednoznačne čakali na tých, ktorí chceli. Práve sme boli dole, keď sa ozvala siréna. Naša skupina bola okamžite nahnaná k výťahu, ktorý nás vyviezol na povrch 90 metrov hore. "Ak v tuneli začne horieť, všetko sa vyplní špeciálnou penou, v ktorej sa dá dýchať.", - utíšil nás sprevádzajúci, veselý Afro-švajčiarsky Abdillah Abal. "Skúšal si to dýchať?" Opýtal som sa. "Nie!" Odpovedal a všetci sa zasmiali.

Do budovy, kde prebieha experiment ALICE, o pár minút prišli hasiči. Pátranie po príčine poplachu pokračovalo asi hodinu – ukázalo sa, že senzor hladiny kyslíka v tuneli fungoval, no dole sme nesmeli.

seba CERN vyzerá ako mesto, pri vchode vás privíta brána s ochrankou, ktorá skontroluje priepustku alebo rezerváciu v miestnom hostelovom hoteli. "Kedysi to bolo jednoduchšie, - hovoria staromilci. - To všetko sa objavilo až po niekoľkých nepríjemných incidentoch, vrátane tých zelených.... Aké ďalšie incidenty? CERN je otvorený svetu, každý deň na svojom území a v múzeum („Sféra vedy a inovácií“)školáci, študenti a učitelia prichádzajú na exkurzie, ktorým rozprávajú o minulosti, súčasnosti a budúcnosti jedného z najlepších fyzických centier na svete. Zdá sa, že CERN má všetko: poštu a lahodnú lacnú samoobslužnú reštauráciu, banku, japonské sakury a ruské brezy. Takmer raj - pre zamestnancov aj návštevníkov. Existuje však aj malý počet ľudí, ktorí potrebujú „incidenty“ ako vzduch a musia sa vedieť nejako rozumne brániť.

Samotný 27-kilometrový prstenec sa nachádza v hĺbke 50-150 m na území Francúzska aj Švajčiarska. Z centra Ženevy sa do CERN-u dostanete pravidelnou mestskou električkou len za 20-30 minút. Hranica medzi týmito dvoma krajinami je takmer neviditeľná a doteraz mi nikto nepovedal: "Pozri, toto je hranica", nevšimol by som si ju. Autá a chodci idú bez zastavenia. Sám som chodil tam a späť, z hotela do CERN-u a smial sa sám sebe, že idem na večeru z Francúzska do Švajčiarska.

Pred príchodom do CERN-u som nevedel o úlohe, ktorú zohral ruský obranný priemysel pri stavbe urýchľovača, ktorý zostal z čias ZSSR. Takže pre hadrónový kalorimeter CMS detektora bolo potrebné vyrobiť veľké množstvo špeciálnych mosadzných dosiek. Kde môžem získať mosadz? Ukázalo sa, že na severe, v našich námorných podnikoch, sa nahromadilo veľa použitých kaziet, takže boli roztavené.

„V istom čase, keď Američania ohrozovali ZSSR“ hviezdnymi vojnami, akademik Velikhov navrhol umiestniť laserové zbrane na obežnú dráhu. Pre lasery boli potrebné špeciálne kryštály, - Povedal mi Vladimir Gavrilov, vedúci experimentu CMS z Ústavu pre teoretickú a experimentálnu fyziku (ITEP). - Pre tento projekt bolo postavených niekoľko tovární. Potom sa to však všetko zrútilo, továrne nemali čo robiť. Ukázalo sa, že závod v Bogoroditsku v regióne Tula dokáže vyrábať kryštály, ktoré sú potrebné pre CMS “.

EXPERIMENTY ATLAS A CMS

Na Veľkom hadrónovom urýchľovači prebiehajú štyri veľké experimenty ( ATLAS, CMS, ALICE a LHCb) a tri malé ( LHCf, MoEDAL a TOTEM). Dátový tok zo štyroch veľkých experimentov je 15 petabajtov (15 miliónov GB) ročne, čo by si vyžadovalo 20-kilometrový balík CD na záznam. Česť objavu Higgsovho bozónu patrí spoločne ATLAS a CMS, v zložení týchto spoluprác je veľa vedcov z Ruska. Len za 60 rokov pracovalo v CERN-e viac ako tisíc ruských špecialistov. Detektor ATLAS je úžasný: 35 m vysoký, 33 m široký a takmer 50 m dlhý. Nikolay Zimin, pracovník Spojeného ústavu jadrového výskumu v Dubne a tento experiment, ktorý pracuje v CERN-e už mnoho rokov, prirovnal detektor k obrovskej hniezdnej bábike. „Každá z horných vrstiev detektorov obklopuje predchádzajúcu a snaží sa čo najviac pokryť priestorový uhol. V ideálnom prípade by to malo byť urobené tak, aby bolo možné zachytiť všetky emitované častice a aby boli „mŕtve zóny“ v detektore minimalizované.", – zdôrazňuje. Každý z detektorových subsystémov, „detektorových vrstiev“, registruje určité častice, ktoré vznikajú pri zrážke protónových lúčov.

Koľko „matriošek“ je vo veľkom „matrioške“? Štyri veľké podsystémy vrátane miónového a kalorimetrického systému. Výsledkom je, že vyvrhnutá častica prejde okolo 50 „registračných vrstiev“ detektora, z ktorých každá zbiera jednu alebo druhú informáciu. Vedci určujú trajektóriu týchto častíc vo vesmíre, ich náboje, rýchlosti, hmotnosť a energiu.

Protónové lúče sa zrážajú len v tých miestach, ktoré sú obklopené detektormi, na iných miestach zrážača lietajú pozdĺž rovnobežných trubíc.

Lúče sa zrýchlili a vypustili do Veľkého hadrónového urýchľovača rotujú 10 hodín, počas ktorých prekonajú dráhu 10 miliárd km, čo stačí na cestu k Neptúnu a späť. Protóny pohybujúce sa rýchlosťou takmer svetla urobia 11 245 otáčok za sekundu pozdĺž 27-kilometrového prstenca!

Protóny vychádzajúce z injektora prechádzajú cez celú kaskádu urýchľovačov, až kým nevstúpia do veľkého prstenca. "CERN na rozdiel od ruských centier dokázal využiť každý zo svojich rekordných urýchľovačov na svoju dobu ako predurýchľovač pre ten nasledujúci.", - poznámky Nikolaj Zimin... Všetko to začalo tým Protónový synchrotrón (PS, 1959), potom tam bolo Superprotónový synchrotrón (SPS, 1976), Potom Veľký elektrón-pozitrónový urýchľovač (LEP, 1989)... Potom bol LEP „vyrezaný“ z tunela, aby sa ušetrili peniaze, a na jeho mieste bol postavený Veľký hadrónový urýchľovač. „Potom sa LHC“ vyreže“, postaví sa super LHC, také nápady už existujú. Alebo možno okamžite začnú stavať FCC (Future Circular Colliders) a objaví sa 100-kilometrový 50 TeV urýchľovač., – pokračuje vo svojom príbehu Zimin.

„Prečo je tu z hľadiska bezpečnosti všetko tak dobre organizované? Pretože nižšie je veľa nebezpečenstiev. Po prvé, samotný žalár je hlboký 100 metrov. Po druhé, je tu množstvo kryogénnych zariadení, ATLAS pracuje s dvomi magnetickými poľami. Jeden z nich tvorí centrálny supravodivý solenoid, ktorý je nutné chladiť. Druhým sú najväčšie magnetické toroidy na svete. Ide o 25-metrové bagely v jednom smere a 6-metrové - v druhom. V každom z nich cirkuluje prúd 20 kA. A tiež ich treba chladiť tekutým héliom. Uložená energia magnetického poľa je 1,6 GJ, takže ak sa niečo stane, následky zničenia detektora môžu byť katastrofálne. V lúčovej komore detektora je vysoké vákuum a ak je narušené, môže dôjsť k výbuchu.", - rozpráva Nikolaj Zimin.

„Tu je jedno z prázdnych (z hľadiska vákua) miest v slnečnej sústave a jedno z najchladnejších vo vesmíre: 1,9 K (-271,3 °C). Zároveň - jedno z najhorúcejších miest v Galaxii “- tak radi hovoria v CERN-e a toto všetko nie je prehnané. LHC je najväčší chladiaci systém na svete, je potrebné udržiavať 27-kilometrový prstenec v stave supravodivosti. V trubiciach, ktorými prelietavajú protónové lúče, sa vytvára ultravysoké vákuum 10-12 atmosfér, aby sa zabránilo zrážkam s molekulami plynu.

REPUBLIKA SPOLUPRÁCE

Práca na Veľkom hadrónovom urýchľovači prebieha v podmienkach neustálej vedeckej konkurencie medzi kolaboráciami. ale Higgsov bozón bol objavený súčasne skupinou ATLAS a skupinou CMS. Vladimir Gavrilov (CMS) zdôrazňuje význam dvoch nezávislých spoluprác pracujúcich na tejto úlohe súčasne. "Oznámenie, že našli Higgsov bozón, bolo urobené až po tom, čo obe spolupráce priniesli výsledky získané úplne odlišným spôsobom, ale indikovali približne rovnaké parametre s presnosťou možnou pre dva detektory." Táto presnosť sa teraz zvyšuje a zhoda medzi výsledkami je ešte lepšia.". „CERN a spolupráca sú rôzne veci. CERN je laboratórium, poskytuje vám urýchľovač a spolupráce sú samostatné štáty vedcov s vlastnou konštitúciou, vlastnými financiami a riadením. A ľudia, ktorí pracujú na detektoroch, nie sú z 90% zamestnancami CERN-u, ale zamestnancami ústavov, ich prácu platia zúčastnené štáty a ústavy a CERN vstupuje do spolupráce na rovnakom základe ako ostatné ústavy., - vysvetľuje Oleg Fedin z Petrohradského inštitútu jadrovej fyziky.

BUDÚCNOSŤ VEĽKÉHO HADRONOVÉHO KOLIDERU

Už collider nefunguje rok a pol inžinieri a technici kontrolujú a vymieňajú zariadenia. „Prvé balíčky spustíme v januári 2015. Kedy prídu prvé zaujímavé výsledky, neviem. Energia zrážača sa takmer zdvojnásobí – zo 7 na 13 TeV – v skutočnosti ide o nový stroj “, - povedal nám CEO CERN-u Rolf-Dieter Heuer.

Čo očakáva Rolf Hoyer od spustenia LHC po modernizácii? „Snívam o tom, že tu na LHC budeme schopní nájsť stopy častíc temnej hmoty. To bude super. Ale toto je len sen! Nemôžem zaručiť, že ho nájdeme. A, samozrejme, môžeme objaviť nejaké nové veci. Na jednej strane je tu Štandardný model – ten úžasne dobre opisuje svet. Ale nič to nevysvetľuje. Príliš veľa parametrov zadaných manuálne. Štandardný model je fantastický. Ale okrem štandardného modelu je to ešte fantastickejšie.".

V predvečer 60. výročia CERN-u Rolf Hoyer poznamenáva, že celé tie roky vedecké centrum žilo pod heslom: „60 rokov vedy pre svet“. Podľa neho, „CERN to nielen ignoroval, ale snažil sa držať čo najďalej od akýchkoľvek politických problémov. Už od založenia CERN-u, keď došlo k rozdeleniu medzi Západom a Východom, tu mohli spoločne pôsobiť zástupcovia oboch strán. Dnes máme vedcov z Izraela a Palestíny, Indie a Pakistanu... Snažíme sa zostať mimo politiky, snažíme sa pracovať ako zástupcovia ľudstva, ako normálni ľudia“.

Tento článok používa brožúru LHC The guide. Elektronická verzia - na webovej stránke

Veľký hadrónový urýchľovač sa nazýva buď "Stroj súdneho dňa" alebo kľúč k tajomstvu vesmíru, ale jeho význam nie je spochybnený.

Ako raz povedal slávny britský mysliteľ Bertrand Russell: „je to, čo vieš, filozofia je to, čo nevieš“. Zdalo by sa, že skutočné vedecké poznatky sa už dávno oddelili od svojich počiatkov, čo možno nájsť vo filozofickom výskume starovekého Grécka, ale nie je to celkom pravda.

Počas celého dvadsiateho storočia sa vedci snažili nájsť vo vede odpoveď na otázku o štruktúre sveta. Tento proces bol podobný hľadaniu zmyslu života: obrovské množstvo teórií, domnienok a dokonca aj bláznivých nápadov. K akým záverom prišli vedci na začiatku XXI. storočia?

Celý svet pozostáva z elementárne častice, ktoré predstavujú konečné podoby všetkého, čo existuje, teda toho, čo sa nedá rozdeliť na menšie prvky. Patria sem protóny, elektróny, neutróny atď. Tieto častice sú v neustálej interakcii navzájom. Na začiatku nášho storočia bol vyjadrený v 4 základných typoch: gravitačný, elektromagnetický, silný a slabý. Prvý je opísaný Všeobecnou teóriou relativity, ďalšie tri sú spojené v Štandardnom modeli (kvantovej teórii). Bolo tiež navrhnuté, že existuje ďalšia interakcia, neskôr nazývaná Higgsovo pole.

Postupne sa objavila myšlienka spojiť všetky základné interakcie v rámci „ teória všetkého ", ktorý bol spočiatku vnímaný ako vtip, no rýchlo prerástol do silného vedeckého smeru. Prečo je to potrebné? Je to také jednoduché! Bez pochopenia fungovania sveta sme ako mravce v umelom hniezde – nad svoje možnosti sa nedostaneme. Ľudské poznanie nemôže (dobre, resp zbohom nemôžete, ak ste optimista) pokryť štruktúru sveta ako celku.

Jedna z najznámejších teórií, ktorá tvrdí, že „zahŕňa všetko“ je teória strún... Znamená to, že celý vesmír a náš život s vami je multidimenzionálny. Napriek rozpracovanej teoretickej časti a podpore známych fyzikov ako Brian Green a Stephen Hawking nemá žiadne experimentálne potvrdenie.

Vedcov o desaťročia neskôr unavovalo vysielanie z tribún a rozhodli sa postaviť niečo, čo by raz a navždy malo bodky na i. Na tento účel bolo vytvorené najväčšie experimentálne zariadenie na svete - Veľký hadrónový urýchľovač (LHC).

"Do zrážača!"

Čo je to zrážač? Z vedeckého hľadiska ide o urýchľovač nabitých častíc určený na urýchlenie elementárnych častíc pre ďalšie pochopenie ich interakcie. Z nevedeckého hľadiska ide o veľkú arénu (alebo pieskovisko, ak chcete), v ktorej vedci bojujú za potvrdenie svojich teórií.

Prvýkrát nápad zraziť elementárne častice a zistiť, čo sa stane, dostal americký fyzik Donald William Kerst v roku 1956. Naznačil, že vďaka tomu budú môcť vedci preniknúť do tajov vesmíru. Zdalo by sa, čo je zlé na zrážke dvoch lúčov protónov s celkovou energiou miliónkrát vyššou ako pri termonukleárnej fúzii? Časy boli vhodné: studená vojna, preteky v zbrojení a tak ďalej.

História vzniku LHC

Myšlienka vytvorenia urýchľovača na výrobu a štúdium nabitých častíc sa objavila na začiatku 20. rokov 20. storočia, ale prvé prototypy vznikli až začiatkom 30. rokov 20. storočia. Spočiatku to boli vysokonapäťové lineárne urýchľovače, teda nabité častice pohybujúce sa v priamke. Prstencová verzia bola predstavená v USA v roku 1931, potom sa podobné zariadenia začali objavovať v mnohých vyspelých krajinách - Veľkej Británii, Švajčiarsku a ZSSR. Dostali meno cyklotróny a neskôr sa začali aktívne využívať na vytváranie jadrových zbraní.

Treba poznamenať, že náklady na výstavbu urýchľovača častíc sú neuveriteľne vysoké. Jeho vytvorením sa poverila Európa, ktorá počas studenej vojny hrala podradnú úlohu Európska organizácia pre jadrový výskum (v ruštine sa často číta ako CERN), ktorá sa neskôr ujala výstavby LHC.

CERN vznikol v dôsledku medzinárodných obáv z jadrového výskumu v Spojených štátoch a ZSSR, ktorý by mohol viesť k úplnému vyhladeniu. Vedci sa preto rozhodli spojiť svoje úsilie a nasmerovať ich na pokojný kanál. V roku 1954 sa CERN oficiálne zrodil.

V roku 1983 boli pod záštitou CERN-u objavené W a Z bozóny, po ktorých sa otázka objavu Higgsových bozónov stala len otázkou času. V tom istom roku sa začali práce na konštrukcii Veľkého elektrón-pozitrónového urýchľovača (BEPC), ktorý zohral primárnu úlohu pri štúdiu objavených bozónov. Už vtedy sa však ukázalo, že výkon vytvoreného zariadenia bude čoskoro nedostatočný. A v roku 1984 bolo rozhodnuté postaviť LHC, hneď po demontáži BEPK. Toto sa stalo v roku 2000.

Výstavbu LHC, ktorá sa začala v roku 2001, uľahčil fakt, že prebiehala na mieste bývalého BEPK, v údolí Ženevského jazera. V súvislosti s otázkami financovania (v roku 1995 sa náklady odhadovali na 2,6 miliardy švajčiarskych frankov, do roku 2001 presiahli 4,6 miliardy, v roku 2009 to bolo 6 miliárd dolárov).

V súčasnosti sa LHC nachádza v tuneli s obvodom 26,7 km a prechádza územím dvoch európskych krajín naraz – Francúzska a Švajčiarska. Hĺbka tunela sa pohybuje od 50 do 175 metrov. Treba tiež poznamenať, že energia zrážky protónov v urýchľovači dosahuje 14 teraelektrónvoltov, čo je 20-krát viac ako výsledky dosiahnuté pomocou BEPC.

"Zvedavosť nie je zlozvyk, ale veľká nechutnosť."

Zrážkový tunel CERN s dĺžkou 27 kilometrov sa nachádza 100 metrov pod zemou neďaleko Ženevy. Budú tu obrovské supravodivé elektromagnety. Doprava áut vpravo. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Prečo je potrebný tento človekom vyrobený „stroj súdneho dňa“? Vedci očakávajú, že uvidia svet taký, aký bol bezprostredne po Veľkom tresku, teda v čase vzniku hmoty.

Ciele, ktoré si vedci stanovili pri stavbe LHC:

1. Potvrdenie alebo vyvrátenie Štandardného modelu s cieľom ďalšieho vytvárania „teórie všetkého“.
2. Dôkaz existencie Higgsovho bozónu ako častice piatej základnej interakcie. Tá by podľa teoretických štúdií mala ovplyvniť elektrické a slabé interakcie a narušiť ich symetriu.
3. Štúdium kvarkov, ktoré sú základnou časticou, ktorá je 20-tisíckrát menšia ako protóny, ktoré sa z nich skladajú.
4. Získavanie a výskum temnej hmoty, ktorá tvorí väčšinu vesmíru.

Zďaleka to nie sú jediné ciele, ktoré vedci LHC určili, no ostatné sa týkajú skôr príbuzných alebo čisto teoretických.

čo si dosiahol?

Najväčším a najvýznamnejším úspechom bolo nepochybne oficiálne potvrdenie existencie tzv Higgsov bozón... Objav piatej interakcie (Higgsovo pole), ktorá podľa vedcov ovplyvňuje získavanie hmoty všetkými elementárnymi časticami. Verí sa, že keď sa poruší symetria, keď sa Higgsovo pole aplikuje na iné polia, bozóny W a Z sa stanú masívnymi. Objav Higgsovho bozónu je vo svojom význame taký veľký, že mu množstvo vedcov dalo názov „božské častice“.

Kvarky sa spájajú do častíc (protónov, neutrónov a iných), ktoré sú tzv hadróny... Práve tie zrýchľujú a zrážajú sa v LHC, odkiaľ pochádza aj jeho názov. Počas prevádzky urýchľovača sa dokázalo, že oddeliť kvark od hadrónu je jednoducho nemožné. Ak sa o to pokúsite, jednoducho vytrhnete napríklad protón, iný druh elementárnej častice - mezón... Napriek tomu, že ide len o jeden z hadrónov a sám o sebe nenesie nič nové, ďalšie štúdium interakcie kvarkov by sa malo vykonávať presne po malých krokoch. Pri skúmaní základných zákonov fungovania vesmíru je zhon nebezpečný.

Hoci samotné kvarky neboli počas používania LHC objavené, ich existencia do určitého bodu bola vnímaná ako matematická abstrakcia. Prvé takéto častice boli nájdené v roku 1968, ale až v roku 1995 bola oficiálne dokázaná existencia „skutočného kvarku“. Výsledky experimentov potvrdzuje schopnosť ich reprodukovať. Preto je dosiahnutie podobného výsledku LHC vnímané nie ako opakovanie, ale ako posilňujúci dôkaz ich existencie! Aj keď problém s realitou kvarkov nikde nezmizol, pretože jednoducho sú nemožno vyčleniť z hadrónov.

aké sú plány?

Hlavná úloha vytvorenia "teórie všetkého" nie je vyriešená, ale prebieha teoretické štúdium možných variantov jej prejavu. Doteraz je jedným z problémov kombinovania Všeobecnej teórie relativity a štandardného modelu odlišná oblasť ich pôsobenia, v súvislosti s ktorou druhá nezohľadňuje zvláštnosti prvého. Preto je dôležité ísť nad rámec štandardného modelu a dosiahnuť okraj. Nová fyzika.

supersymetria - vedci veria, že spája bosonické a fermiónové kvantové polia natoľko, že sa môžu navzájom premeniť. Je to taká konverzia, ktorá presahuje rámec štandardného modelu, pretože existuje teória, že symetrické mapovanie kvantových polí je založené na gravitóny... V súlade s tým môžu byť elementárnou časticou gravitácie.

Bozón Madala- hypotéza o existencii bozónu Madala naznačuje, že existuje ešte jedno pole. Iba ak Higgsov bozón interaguje so známymi časticami a hmotou, potom bude s nimi interagovať bozón Madala temná hmota... Napriek tomu, že zaberá veľkú časť vesmíru, jeho existencia nespadá do rámca Štandardného modelu.

Mikroskopická čierna diera - jednou zo štúdií LHC je vytvorenie čiernej diery. Áno, áno, presne tá čierna, všetko pohlcujúca oblasť vo vesmíre. Našťastie sa v tomto smere nedosiahli žiadne významné úspechy.

Veľký hadrónový urýchľovač je dnes viacúčelovým výskumným centrom, na základe ktorého vznikajú a experimentálne sa potvrdzujú teórie, ktoré nám pomôžu lepšie pochopiť štruktúru sveta. Okolo množstva prebiehajúcich štúdií, ktoré sú označované za nebezpečné, vrátane Stephena Hawkinga, sa často objavujú vlny kritiky, ale hra rozhodne stojí za sviečku. Nebudeme sa môcť plaviť po čiernom oceáne zvanom Vesmír s kapitánom, ktorý nemá ani mapu, ani kompas, ani základné vedomosti o svete okolo nás.

Ak nájdete chybu, vyberte časť textu a stlačte Ctrl + Enter.

V mojom príbehu o návšteve dňa otvorených dverí v CERN-e budem pokračovať.

Časť 3. Výpočtové centrum.

V tejto časti poviem o mieste, kde skladujú a spracúvajú to, čo je produktom práce CERN-u – výsledky experimentov. Reč bude o výpočtovom centre, aj keď správnejšie by asi bolo nazvať ho dátovým centrom. Najprv sa však dotknem problémov s výpočtom a ukladaním dát v CERN-e. Len Veľký hadrónový urýchľovač vyprodukuje každý rok toľko údajov, že ak by sa zapísali na CD, bol by to zásobník vysoký 20 kilometrov. Je to spôsobené tým, že počas činnosti zrážača sa lúče zrazia 30 miliónov krát za sekundu a pri každej zrážke dôjde k približne 20 udalostiam, z ktorých každá produkuje veľké množstvo informácií v detektore. Samozrejme, tieto informácie sa najskôr spracujú v samotnom detektore, potom sa dostanú do lokálneho výpočtového strediska a až potom sa prenesú do hlavného dátového úložiska a centra spracovania. Každý deň však musíte spracovať zhruba petabajt dát. K tomu musíme dodať, že tieto dáta musia byť nielen uchovávané, ale aj distribuované medzi výskumnými centrami po celom svete a navyše je potrebné podporovať približne 4000 užívateľov WiFi siete v samotnom CERN-e. Treba dodať, že v Maďarsku je pomocné centrum na ukladanie a spracovanie dát, s ktorým je 100 gigabitové prepojenie. Vnútri CERN-u bolo zároveň položených 35 000 kilometrov optického kábla.
Výpočtové stredisko však nebolo vždy také výkonné. Fotografia ukazuje, ako sa použité vybavenie menilo v priebehu času.

Teraz došlo k prechodu zo sálových počítačov na sieť konvenčných počítačov. V súčasnosti má centrum 90 000 procesorových jadier na 10 000 serveroch, ktoré fungujú 24 hodín denne, 7 dní v týždni. V priemere na tejto sieti súčasne beží 250 000 úloh spracovania údajov. Toto výpočtové centrum je na vrchole moderných technológií a často posúva výpočtovú techniku ​​a IT vpred pri riešení problémov potrebných na ukladanie a spracovanie takého veľkého množstva údajov. Stačí spomenúť, že World Wide Web vynašiel Tim Berners-Lee v budove neďaleko dátového centra (povedzte tým alternatívne nadaným idiotom, ktorí pri surfovaní na internete tvrdia, že základná veda nie je užitočná).

Vráťme sa však k problému ukladania dát. Fotografia ukazuje, že v predpotopných časoch boli údaje predtým uložené na magnetických diskoch (Áno, áno, pamätám si tieto 29 megabajtové disky na počítači ES).

Aby som videl, ako sa veci majú dnes, idem do budovy, kde sa nachádza výpočtové centrum.

Prekvapivo tam nie je veľa ľudí a vojdem dovnútra pomerne rýchlo. Premietajú nám krátky film a potom nás vedú k zamknutým dverám. Náš sprievodca otvára dvere a my sa ocitáme v dosť veľkej miestnosti, kde sú skrinky s magnetickými páskami, na ktorých sú zaznamenané informácie.

Väčšinu haly zaberajú rovnaké šatníky.

Uchovávajú približne 100 petabajtov informácií (čo zodpovedá 700 rokom Full HD videa) v 480 miliónoch súborov. Zaujímavosťou je, že približne 10 000 fyzikov na celom svete má prístup k týmto informáciám v 160 výpočtových centrách. Tieto informácie obsahujú všetky experimentálne údaje zo 70. rokov minulého storočia. Ak sa pozriete bližšie, môžete vidieť, ako sú tieto pásky umiestnené vo vnútri skriniek.

Niektoré stojany obsahujú moduly procesorov.

Na stole je malá výstavka toho, čo sa používa na ukladanie dát.

Toto dátové centrum spotrebuje 3,5 megawattov elektriny a má vlastný dieselový generátor pre prípad výpadku prúdu. Musím povedať aj o chladiacom systéme. Nachádza sa mimo budovy a ženie studený vzduch pod zvýšenú podlahu. Vodné chladenie sa používa len na malom počte serverov.

Ak sa pozriete do skrinky, môžete vidieť, ako prebieha automatické vzorkovanie a načítanie pások.

V skutočnosti táto sála nie je jedinou sálou, kde sú umiestnené počítače, ale už to, že návštevníkov pustili aspoň sem, vzbudzuje u organizátorov rešpekt. Fotil som, čo bolo vystavené na stole.

Potom sa objavila ďalšia skupina návštevníkov a boli sme vyzvaní, aby sme odišli. Urobím poslednú fotku a odchádzam z výpočtového strediska.

V ďalšej časti porozprávam o dielňach, kde vznikajú a montujú unikátne zariadenia, ktoré sa využívajú pri fyzikálnych experimentoch.

Počas väčšiny minulého týždňa boli médiá plné správ o CERN-e, Veľkom hadrónovom urýchľovači a novej častici, ktorá sa tam nachádza. Nakoniec sa skutočne ukázalo, že ide o Higgsov bozón – časticu, ktorá potvrdzuje Štandardný model – čo znamená, že vedci si konečne môžu byť istí svojimi názormi na štruktúru sveta.

Dnes FURFUR vydáva denník výskumníka CERN-u Stepana Obraztsova. Hovoril nielen o hľadaní Higgsovho bozónu a práci hadrónového urýchľovača, ale aj o tradíciách života tohto mesta vedcov s vlastným jazykom, rockových kapiel a festivalov.

O prvej návšteve:Prvýkrát som sa objavil v CERNe, asi keď som mal asi rok a neskôr – asi päť rokov – takže pre mňa je to po Rusku moje druhé rodné miesto. Potom tam pracoval môj otec. Nasával som všetko, čo sa dialo okolo, otec mi už v detstve vysvetľoval niektoré veci. V CERN-e je stála výstava pre turistov, kde názorne ukazujú všelijaké jednoduché veci: napríklad je tam iskrová komora - v nej častica preletí komorou naplnenou plynom a so živým drôtom a spôsobí iskru. . Vo všeobecnosti mi vysvetlil, ktoré častice lietajú z vesmíru, prečo a kedy sú viditeľné atď.

O vzdelávaní: Neskôr som vyštudoval Moskovskú štátnu univerzitu na Katedre vesmírnej fyziky. Keď sme boli pridelení, išiel som do laboratória hadrónových interakcií vo Vedeckom výskumnom ústave jadrovej fyziky (DV Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics) na Moskovskej štátnej univerzite. Do CERN-u som teda začal chodiť ešte počas štúdia – je tam letná škola pre študentov, kde sa každé leto zíde okolo štyristo študentov a už vtedy som začal pracovať s hadrónovým urýchľovačom kvôli téme diplomovky. A teraz chodím na služobné cesty a hromadím materiál na dizertačnú prácu.

Takto vyzerá vstup do CERN-u v noci

O práci v CERN: Stojí za to povedať, že nepracujem na jednej úlohe, ale na niekoľkých naraz - každý to robí. Práca v CERN-e je vždy rozdelená na výskum a servis. Musíte vykonávať servisné práce, pretože každá inštitúcia, ktorá sa podieľa na spolupráci, sa zaväzuje vykonať tieto práce, ktoré nesúvisia so žiadnymi objavmi. To znamená, že toto je druh výmeny: experimentujte na urýchľovači, ale na to budete musieť dávať pozor aj na detektory. Dá sa to nazvať vedecká činnosť, ale je to veľmi aplikovaný charakter: kalibrácia detektora, účasť na posunoch na detektore, sledovanie dát a veľa všetkého pomocného pre nastavenie tohto obrovského stroja. Predpokladá sa, že na služobné cesty chodíme hlavne kvôli servisným prácam.

Veľký hadrónový urýchľovač v CERN-e je obrovský urýchľovací prstenec dlhý 28 kilometrov. V jeho strede je umiestnený rádioaktívny zdroj častíc, ktoré sú vypúšťané lúčom pozdĺž malého prstenca, potom pozdĺž lineárneho tunela. Po rozptýlení idú do vnútorného malého krúžku a potom do hlavnej veci. Tieto lúče protónov sú v prstenci vystreľované v dvoch rôznych smeroch, pozorujú sa ich pohyb a zbierajú sa štatistiky – získavam dva gigabajty dát za sekundu, čo nie je až chorobne taký objem za deň.

Na Veľkom hadrónovom urýchľovači sú štyri detektory: CMS, ATLAS, LHCb a ALICE. Pracujem na CMS - váži asi 4,5 tisíc ton. A jeho magnetické pole je 4 Tesla (dvakrát toľko ako celé magnetické pole Zeme).

Samotný CERN sa nachádza pätnásť minút od Ženevy, na samotnej hranici Francúzska a Švajčiarska. Nie je to vedecké mesto (čo poznáme z mnohých projektov Sovietskeho zväzu), keďže tam žije pomerne veľa stálych obyvateľov. Namiesto toho je tu obrovský hostel, kde sa inžinieri ubytujú, ak prídu na krátky čas. Vo všeobecnosti je samotné územie jednoducho obrovské, pretože do výskumu sa zapája obrovské množstvo ľudí: len v jednom experimente, na ktorom sa podieľam, je štyritisíc ľudí. A každý z týchto štyroch tisíc neustále niečo robí.

CMS detektor, bočný pohľad
CMS detektor, čelný pohľad. Detektory majú vrstvenú štruktúru – každá vrstva registruje svoje zmeny v prostredí

Na veľkom prstenci sú tiež štyri rôzne detektory, ktoré zbierajú údaje. V súlade s tým, keď už lúče obiehajú okolo prstenca, zapnú sa kolimátory (obrovské magnety), ktoré lúče vychýlia a spôsobia ich zrážku – samotná zrážka nastáva v strede jedného z detektorov. Pri zrážke protónov sa rodia nové častice, ktoré registrujeme. Toto je podstata experimentu. Takéto štarty a kolízie sa dejú nonstop celý rok – nie preto, že by sa raz spustil zrážač, niečo sa prevrátilo a hotovo.

Každý detektor má kontrolnú miestnosť: samotný detektor je v bani a kontrolná miestnosť je na povrchu, kde nepretržite sedí asi dvadsať ľudí a každý je zodpovedný za nejaký druh detektorového subsystému - z dielov zbierate rôzne informácie systému a potom môžete získať celkový obraz. Okrem ľudí, ktorí sedia na podsystémoch, sú tam aj ľudia zodpovední za zber dát, sledovanie detektora ako celku, je tam vedúci zmeny, človek, ktorý má na starosti magnet - všetci sedia v jednej miestnosti. a pozorovať prácu.

Ďalší detektor - ALICE

Historicky sa stalo, že naše laboratórium sa zaoberá fyzikou ťažkých iónov: vtedy sa do prstenca neposielajú lúče protónov, ale lúče iónov olova alebo iónov zlata. Zvláštnosťou je, že pri zrážke jadier sa zhustne prostredie, v ktorom zrážka nastane. Začali sa zrážať ióny, pretože existovali teoretické predpovede, že bude možné pozorovať nový stav hmoty – kvarkovo-gluónovú plazmu – v ktorom sa vesmír nachádzal niekoľko mikrosekúnd po Veľkom tresku. Ide o superhusté médium a hmota v tomto stave má vlastnosti pevnej látky aj plynu, kvapaliny a plazmy. Myšlienkou experimentu je porovnať, čo sa stane, keď sa zrazí protóny a keď sa zrazí ióny. Keď sa zrazíte s olovom, médium je také husté, že niektoré častice nemôžu vyletieť a preletieť cez toto médium – zhasnú v ňom. To, že takýto stav naozaj existuje, sa potvrdilo koncom roka 2010.

O služobných cestách: Prídem raz v lete a raz v zime, na dva mesiace. Cesta z hostela do práce mi trvá pol minúty. Je tam taký vnútorný svet, kde je veľa ľudí a celkom sa líši od bežného sveta. Tu je hranica medzi tým, čo sa vám zdá, že pracujete a relaxujete, nejasná. Je to nekonečný proces, ktorý sa nedá zastaviť. Celkovo tam žije asi tridsaťtisíc ľudí, cítite sa ako malé koliesko v obrovskom stroji. Je ťažké niečo vymyslieť alebo objaviť sami, keď ste zapojený do takého obrovského aparátu.

Pohľad z hostelovej izby v CERN-e

O zariadení CERN: CERN je svojou štruktúrou medzinárodnou spoluprácou, na ktorej sa podieľa 150 ústavov z 37 krajín a ich vlastných zamestnancov je málo. Väčšina ľudí, ktorí tam pracujú, nie sú zamestnanci CERN-u, zastávajú akési funkcie v ústavoch participujúcich na spolupráci, ako v mojom prípade. A v štáte Černov sú len tí najskvelejší, super vyznamenaní laureáti Nobelovej ceny na doživotnú zmluvu, ktorí už v tomto živote prišli na všetko, čo mohli a bývajú v domčeku na úpätí hory, odtiaľ autom. v retro autách. Suma sumárum, starnúce rockové hviezdy z fyziky.

O špecializácii: Každý fyzik má ďaleko od univerzálnosti. Sú rozdelené do rôznych kategórií: ak globálne, potom experimentátori a teoretici a medzi nimi tí, ktorí sa zaoberajú analýzou. Experimentátori sa zase delia na tých, ktorí sa zaoberajú fyzikou detektora, a tých, ktorí sa zaoberajú fyzikou urýchľovača. Teda tí, ktorí urýchľujú častice a ktorí ich registrujú, sú dve rozdielne oblasti a urýchľovače sú vysoko cenené, pretože ich je na svete menej – nepripravujeme ich v Moskve, iba v Novosibirsku. Fyzici, ktorí sa zaoberajú detektorom, vedia o urýchľovači málo, s urýchľovačmi sa prakticky nepretínajú, sú to dve samostatné kasty. Niektorí začínajú, iní chytajú.

O prehadzovačoch: Keď sedíte na smene – je ráno, deň a noc, každá na osem hodín – je tam veľa monitorov a musíte mať v hlave veľa informácií naraz. Navyše je všetko tak šikovne usporiadané, že kým sa stanete náhradníkom, musíte absolvovať školenie – tri zmeny, keď sedíte s plnohodnotnou náhradou, potom, keď ste sa naučili, už vám dajú učňov. Stalo sa to tak, že som učil dospelých strýkov, ktorí poznajú fyziku oveľa lepšie ako ja. Zvláštnosťou tejto práce je, že toho veľa nerobíte sami, takže rozvíja schopnosť kontaktu. Keď existuje korešpondencia medzi Rusmi (a je ich tam veľa), dostaneme poloanglicko-polruský jazyk, pretože pre mnohé slová neexistujú žiadne ruské analógy. Shifter je v angličtine prehadzovačka. Nehovoríme si striedači, hovoríme si posunovači. Tiež tam nikto nepovie „Higgsov bozón“, všetci len „Higgs“.

Jeden z koncertov na Hardronic Feste

O zábave: V CERN-e je šialene veľa ľudí a všetci sú na niečom závislí – sú tam záujmové kluby – od vzpierania a zborového spevu až po šach a frisbee. Je tam hudobný klub – tri skúšobne – a asi pätnásť skupín, ktoré v lete organizujú Hardronický festival – trvá dva dni s obrovským veľkým pódiom. Účinkujú tam skupiny pozostávajúce výlučne z výskumníkov. Nezvyčajne málo – väčšinou nejaké cover kapely, ale predsa. Tam si trochu zahrám – keď idem, vždy si so sebou beriem gitaru. V skúšobni je všetko nahrávacie vybavenie – hrám na metronóm, píšem bicie, potom to mixujem.

O prístupe k informáciám: Na služobných cestách som tam bol osemkrát – celkovo viac ako rok. Nezáleží mi však na tom, kde mám pracovať – tu alebo tam, pretože na servery CERN sa pripájate aj na diaľku. Existujú gigabitové siete, ktoré spájajú inštitúcie po celom svete. Časť dát je uložená na pevných diskoch, no väčšina je uložená na kazetách, ktoré ovláda špeciálny robot. Počas sedenia v Moskve napíšete iba jeden príkaz – robot v CERN-e prejde do požadovanej sekcie, vyberie vašu kazetu, vloží ju, načíta, prenesie na pevný disk a vy dostanete dáta.

Higgsov bozón je častica, o ktorej sa predpokladá, že je zodpovedná za hmotu v hmote. Všetky častice sú v poli, ktoré vytvára Higgsov bozón. Keďže sú v tejto oblasti, majú hmotnosť. Existuje takzvaný Štandardný model – to je model sveta, ktorým všetci prechádzame zo školy. V ňom sú všetky interakcie rozdelené do štyroch typov: silné, slabé, elektromagnetické a gravitačné. Každá interakcia má nosič – napríklad elektrón má elektromagnetický. Takže všetky nosné častice boli dlho objavené a zaznamenané, s výnimkou Higgsovho bozónu. Skutočnosť, že existuje, nám hovorí, že tento model je konzistentný a zdá sa, že celkom dobre rozumieme tomu, čo sa deje vo vesmíre. V každom prípade, Štandardný model je len model, vo fyzike sa vždy bavíme o modeloch. Akýkoľvek model je správny len po nejaké desatinné miesto, najpresnejší model neexistuje.

Hľadanie a štúdium Higgsovho bozónu na Veľkom hadrónovom urýchľovači vykonávajú dva detektory - CMS a ATLAS. Posledné dva roky neotvorili Higgsa, ale metodicky uzavreli oblasti, kde to nemôže byť. A bolo tam veľmi malé okno, kde mohol byť. Minulý rok sa zišlo veľké zhromaždenie všetkých účastníkov spolupráce, kde bolo oznámené, že v roku 2012 budú môcť s istotou zistiť, či Higgsov bozón skutočne existuje alebo nie.

Bočný pohľad na detektor ATLAS. Jeho čelný pohľad je možné vidieť na úplne prvom obrázku v tomto materiáli.

O procese vyhorenia: Keď sa práve spúšťal urýchľovač, bola horúca chvíľa, pretože sa neustále niečo lámalo. Nazvali sme to „proces vyhorenia“ – to znamená, že keď detektor práve začal pracovať, všetko, čo bolo nespoľahlivé, sa muselo pokaziť, aby sa neskôr práca vrátila do normálneho tempa. Detektor postupne odumiera: niektoré časti - vzhľadom na to, že je tam veľa žiarenia, okamžite po kolízii a opotrebovaní všetkých týchto materiálov - strácajú svoje vlastnosti. Koncom tohto roku príde veľká odstávka zrážača na rok alebo aj dva roky kvôli upgradu, budú sa hrabať v detektoroch, v samotnom urýchľovači meniť nejaké magnety, aby dosiahli pôvodne deklarovaný výkon. .

O tom, čo bude ďalej: Všetky tieto práce na dizajne zrážača sa začali koncom osemdesiatych rokov, môjho otca sa toho všetkého podarilo zúčastniť - niekde pred rokom 1994. Potom došlo ku konfliktu medzi Rusmi a Američanmi a odišiel. V Rusku sa školí veľa detí, ktoré potom pôjdu pracovať do CERN-u, u nás je veľa urýchľovačov a nazbieralo sa už veľa skúseností. A potom v lete v CERN-e ukončí štúdium 400 študentov ročne. To znamená, že generácie sa menia a experimenty pokračujú.