Большой адронный коллайдер что это простыми словами
Большой адронный коллайдер: мифы, факты и научные открытия
Обновлено: 23 Февраля 2021
Рассказываем простыми словами, кто и зачем построил Большой адронный коллайдер и какие открытия он помог совершить.
Большой и адронный
Слово «коллайдер» образовано от английского collider, что значит «сталкиватель».
Большим он называется из-за своего размера: длина подземного кольцевого тоннеля немногим меньше 26,7 км. Он проходит по территории Швейцарии и Франции. Раньше в этом же сооружении располагался предыдущий проект Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) — Большой электрон-позитронный коллайдер.
Адронным он называется, так как работает с адронами: разгоняет, ускоряет и сталкивает. Это составные частицы, подверженные сильному ядерному взаимодействию. Адроны состоят из кварков и делятся на барионы и мезоны.
Из-за длинного названия коллайдера часто можно встретить аббревиатуру БАК (англ. LHC).
Сейчас БАК — самый большой и мощный ускоритель частиц на планете. Он рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ. Для сравнения: следующий по мощности коллайдер — Тэватрон — может разгонять частицы до энергии только в 1 ТэВ.
История создания
Идея строительства такого мощного ускорителя возникла в 1984 году, но сам проект был принят только в 1995-м. Его разработчик — все тот же ЦЕРН. Планы строительства и запуска коллайдера привлекли большое внимание общественности — ученых и простых людей. Вокруг проекта ходило много слухов, основанных на мифах и страхах.
Самой популярной «страшилкой» того времени была черная дыра, которая должна была образоваться во время запуска, а затем разрастись и поглотить БАК, Швейцарию и всю остальную планету. К счастью, этого не случилось.
Несмотря на препятствия и страхи обывателей, БАК был официально запущен 10 сентября 2008 года.
Зачем ученым нужен БАК
Стандартная модель (СМ) описывает только 3 из 4 фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие в СМ не входит, а описывается терминами общей теории относительности, разработанной Эйнштейном. Объединить все 4 взаимодействия в рамках одной теории ученые пытаются, используя разные подходы: теорию струн, теорию супергравитации, петлевую квантовую гравитацию и др.
Эксперименты на базе БАК должны приблизить ученых к «новой физике», которая сможет объяснить действительное устройство Вселенной и объединить все 4 фундаментальных взаимодействия.
Ускоритель разгоняет протоны до скоростей, близких к скорости света. Удерживают пучки летящих протонов сверхпроводящие магниты, а фиксируют результаты столкновений частиц — детекторы.
Научные открытия
Самое знаменитое и важное было сделано в 2012 году — открытие неуловимого бозона Хиггса, последнего элемента СМ. В 2013 году Питер Хиггс, который предсказал существование этой частицы за 40 лет до ее фактического открытия, получил Нобелевскую премию по физике.
Кроме того, были обнаружены 5 новых элементарных частиц, пентакварков. Ранее СМ не только не могла описать их параметры, но и предположить сам факт существования.
Другие результаты работы — подтверждение существования топ-кварка и частицы X(4140), которые наблюдались на Тэватроне, еще нескольких ранее предсказанных частиц. Было показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, исследованы события рождения адронных струй и т.п.
Исследования такого уровня и даже понимание их результатов требуют большой подготовки. За помощью и поддержкой в изучении физики можно и нужно обращаться к нашим авторам — в ФениксХелп.
История, мифы и факты
Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.
Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:
Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.
А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.
Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.
Как работает большой адронный коллайдер
В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.
Результаты работы большого адронного коллайдера.
Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».
Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц, получены первые данные столкновений на рекордных энергиях, показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.
Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут наши авторы. Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!
Большой адронный коллайдер: назначение, открытия и мифы
Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).
10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.
Как выглядит Большой адронный коллайдер
Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.
Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.
Как работает Большой адронный коллайдер
Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.
БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.
Откуда берутся протоны в для столкновения?
Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.
БАК состоит из трёх основных частей:
Зачем нужен Большой адронный коллайдер
С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.
Какие открытия совершили на БАК
На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.
Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.
С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.
Может ли коллайер уничтожить Землю
С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.
Есть две причины, чтобы не волноваться.
Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!
Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?
Что это такое?
Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц, построенный с участием 10 тыс. ученых из 100 стран мира. В коллайдере, длина которого около 100 километров, а диаметр превышает 25 километров, учёные «гоняют» частицы в попытке обнаружить новые и ранее неизученные свойства элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.
Найденный в 2012 году Бозон Хиггса — частица, которой, фактически, связываются электроны, протоны и нейтроны, простому обывателю не даст ничего. Но это пока. В перспективе Бозон Хиггса поможет создать новые системы связи и квантовые компьютеры, работа над которыми, к слову, уже началась.
Расширенное понимание природы и свойств Бозона Хиггса позволит создавать уникальные для техники будущего решения. Например, квантовый интернет с нулевой задержкой (пингом), который будет работать даже на Луне, или принципиально новые суперкомпьютеры, с помощью которых получится найти эффективное лекарство от рака или метод взрыва астероида, который угрожает Земле.
Антивещество – главная мечта ученых в ЦЕРН
Другое направление работ на Большом адронном коллайдере — поиск и «наработка» антиматерии — вещества с потенциально неисчерпаемым источником энергии. Антиматерия — это то, что возникло почти сразу после Большого взрыва и затем бесследно исчезло, оставив учёным лишь след из хлебных крошек.
Принцип получения антиматерии объяснять нет смысла — он слишком сложен для понимания даже тем, кто разбирается в точных науках, но про потенциальное применение антиматерии поговорить всё-таки стоит. В 2010 году учёные из ЦЕРН пояснили, что потенциально антиматерия обладает огромным запасом энергии. Если допустить, что двигатель, основанный на взаимодействии (или, точнее, противодействии) материи и антиматерии поместить в космический корабль, то незначительного количества вещества, нескольких миллиграммов, будет достаточно для полета хотя бы к краю Солнечной системы и возвращения.
Тот же самый принцип и с обычными высокопроизводительными реакторами. Искусственное получение антиводорода, к примеру, считают вменяемой, пусть и очень дорогой альтернативой пока нереализованным видам энергетики, таких, как термоядерный синтез.
БАК очень интересовал армию США, но никто не знает – почему
Известно, что через ведущие НИИ США DARPA заказывало разработку специальных детекторов для коллайдера и в ведомстве живо интересовались результатами работ по этой теме. Что именно интересовало американских военных сказать сложно, однако американские вузы, тесно связанные с DARPA, а также Министерство энергетики США, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Национальный научный фонд будут активно участвовать и в другой, более крупной программе.
Через несколько лет на том же месте, где сейчас находится Большой адронный коллайдер, начнётся строительство суперколлайдера нового типа. В новом ускорителе частиц энергия столкновения должна увеличиться до 100 тераэлектронвольт (ТэВ), при том, что сейчас получают 14 ТэВ. Официально декларируется и цель — поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц.
К чему приведут такие эксперименты сказать сложно. Физики считают, что включение в «крайние режимы» маловероятно, однако в действительности увеличение мощности суперколлайдера на несколько порядков может привести либо к трагедии, либо к получению супероружия. В 2008 году двое американцев даже пытались засудить Минэнерго США за участие в разгоне субатомных частиц до 99,99% скорости света.
Что такое Большой адронный коллайдер и для чего он нужен?
Пожалуй, всему миру известно грандиознейшее научное сооружение Европы. Это Большой адронный коллайдер, который построили неподалёку от швейцарского города Женева.
Перед его запуском было немало панических слухов о грядущем конце света. Также говорили о том, что установка нанесёт непоправимый вред экологии Швейцарии. Однако годы идут, коллайдер работает, а мир остаётся прежним. Для чего же построили столь огромную и дорогостоящую конструкцию? Давайте разберёмся.
Что такое Большой адронный коллайдер?
В конструкции Большого адронного коллайдера или БАК нет ничего мистического. Это всего лишь ускоритель заряженных элементарных частиц, который необходим для разгона тяжёлых частиц и изучения продуктов, образующихся при их столкновении с другими частицами.
Во всём мире есть больше десятка аналогичных установок. В частности, российские ускорители в подмосковной Дубне и в Новосибирске.
БАК был впервые запущен в 2008 году. Но из-за случившейся вскоре аварии он долгое время работал на невысокой энергетической мощности. Лишь с 2015 года стала возможной эксплуатация установки на расчётных мощностях.
Как и практически все подобные установки, БАК представляет собой тоннель, проложенный в виде кольца. Он находится на глубине примерно 100 метров на границе между Францией и Швейцарией. Строго говоря, в систему БАК входит две установки, одна меньшего, другая большего диаметра.
Длина большого тоннеля превосходит размеры всех прочих существующих сегодня ускорителей и составляет 25,5 километров, из-за чего коллайдер получил название Большого.
Для чего построен коллайдер?
Современным физикам удалось разработать теоретическую модель Вселенной, объединяющую три фундаментальных взаимодействия из четырёх существующих и названную Стандартной моделью (СМ).
Однако она пока не может считаться всеобъемлющей теорией строения мира, поскольку практически неисследованной остаётся область, названная учёными теорией квантовой гравитации и описывающая гравитационное взаимодействие.
БАК
Кстати, ведущую роль в нём, согласно теории, должен играть механизм образования массы частиц, названный бозоном Хиггса.
Учёные всего мира надеются, что исследования, проводимые на БАК, позволят изучить свойства бозона Хиггса экспериментальным путём. Кроме того, немалый интерес представляет изучение кварков – так называются элементарные частицы, образующие адроны. В частности, из-за них коллайдер назвали адронным.
Как функционирует БАК?
БАК – это круглый тоннель, который состоит из основного и вспомогательного колец. Стенки тоннеля сложены из множества мощнейших электромагнитов, которые генерируют поле, ускоряющее микрочастицы.
Начальный разгон происходит во вспомогательном тоннеле, но необходимую скорость частицы набирают в основном кольце, после чего несущиеся навстречу частицы сталкиваются, а результат их столкновения фиксируют высокочувствительные приборы.
В результате многочисленных экспериментов в июле 2012 года руководство ЦЕРН (Европейского совета ядерных исследований) объявило о том, что эксперименты позволили обнаружить бозон Хиггса.
В настоящее время продолжается изучение этого явления, так как многие его свойства отличаются от предсказанных в теории.
Для чего людям нужен БАК?
Затраты на строительство БАК составили, по разным сведениям, свыше 6 млрд долларов США. Сумма становится намного более внушительной, если вспомнить ежегодные расходы на эксплуатацию установки. Для чего нужно нести столь существенные расходы, какую пользу принесёт коллайдер обычным людям?
Исследования, запланированные и уже происходящие на БАК, в перспективе могут открыть людям доступ к дешёвой энергии, которую можно будет получать буквально из воздуха.
Для чего людям нужен БАК?
Это будет, возможно, наиболее грандиозная научно-техническая революция в истории человечества. Кроме того, разобравшись в механизме бозона Хиггса, люди, возможно, получат власть над гравитацией.
Безусловно, открытия, которые будут сделаны при помощи Большого адронного коллайдера, не позволят нам прямо завтра овладеть технологией преобразования вещества в энергию или создать антигравитационный летательный аппарат – практические результаты ожидаются лишь в отдалённом будущем. Однако эксперименты позволят сделать ещё несколько небольших шагов к пониманию сути строения Вселенной.