Lielais hadronu paātrinātājs (LHC): kas tas ir un kā tas darbojas

Atklāj LHC (CERN) darbības principu: kā milzīgais hadronu paātrinātājs paātrina protonus, veic sadursmes un atklāj kvantu fizikas un Visuma noslēpumus.

Lielais hadronu paātrinātājs (LHC) ir pasaulē lielākais un jaudīgākais daļiņu paātrinātājs. To uzbūvēja Eiropas Kodolpētniecības organizācija (CERN). Tas ir milzīgs apaļš tunelis, kas izbūvēts pazemē. Tuneļa garums ir 17 jūdzes (27 kilometri), un tas atrodas 50 līdz 175 metru dziļumā zem zemes. Tas atrodas zem Šveices un Francijas robežas. Šī projekta īstenošanā kopā strādāja 10 000 zinātnieku un inženieru no vairāk nekā 100 dažādām valstīm, un tā būvniecība izmaksāja 10,4 miljardus Šveices franku (10 miljardus ASV dolāru). Tagad tā ir lielākā un sarežģītākā eksperimentālā pētniecības iekārta pasaulē.

Kā norāda tā nosaukums, pētījumi LHC ir saistīti ar hadronu sadursmēm. Hadrons ir daļiņa, kas sastāv no vairākiem kvarkiem, kurus kopā satur subatomāri spēcīgais spēks. Protoni un neitroni ir hadronu piemēri. LHC eksperimentos galvenokārt izmanto protonu sadursmes. Protoni ir atomu daļas ar pozitīvu lādiņu. LHC šos protonus paātrina caur tuneli, līdz tie sasniedz gandrīz gaismas ātrumu. Dažādi protoni caur tuneli tiek virzīti pretējos virzienos. Kad tie saduras, tie rada apstākļus, kas līdzīgi agrīnā Visuma apstākļiem.

LHC mēģina pētīt elementārdaļiņas un to mijiedarbības veidus. Pētnieki to ir izmantojuši, lai uzzinātu vairāk par kvantu fiziku, un viņi cer uzzināt daudz vairāk par telpas un laika struktūru. Novērojumi, ko pētnieki spēj veikt, var palīdzēt mums uzzināt, kāds varētu būt bijis Visums milisekundes pēc lielā sprādziena.

Kā LHC strādā (svarīgākie elementi)

LHC darbības pamatā ir daži galvenie tehniskie elementi un posmi:

• Starta avots un paātrināšanas ķēde: protoni tiek iegūti no vieglā ūdeņraža un vispirms paātrināti mazākos paātrinātājos – lineārajā paātrinātājā (LINAC), pēc tam caur PS Booster, Proton Synchrotron (PS) un Super Proton Synchrotron (SPS) –, līdz tie tiek ievadīti LHC.
• Magnēti: LHC tunelī izvietoti vairāk nekā 1200 spēcīgu supravadītāju magnētu, kas novirza un fokusē protonu starus. Šie magnēti tiek dzesēti ar šķidro hēliju līdz apmēram 1,9 K, lai sasniegtu supravadīšanas stāvokli.
• RF (radiofrekvenču) paātrinātāji: nodrošina enerģijas pieplūdi protoniem, lai tie palielinātu ātrumu un kinētisko enerģiju.
• Saskares punkti un detektori: staru krustpunktos atrodas lieli detektori, kas reģistrē sadursmēs radušās daļiņas (piemēram, ATLAS, CMS, ALICE, LHCb).
• Trigera sistēmas: detektori ģenerē milzīgu informācijas apjomu (miliardi notikumu sekundē), tāpēc īpašas aparatūras un programmatūras sistēmas izvēlas tikai interesantākos notikumus turpmākai analīzei.

Galvenie mērķi un sasniegumi

LHC mērķis ir izpētīt fundamentālas fizikas problēmas, tostarp:

• kā veidojas daļiņu masa (piemēram, Higsa bozona atklāšana 2012. gadā);
• melnās matērijas un tumšās enerģijas meklējumi;
• antimatērijas un matērijas asimetrijas skaidrošana;
• pārbaudes teorijām ārpus Standarta modeļa, piemēram, supersimetrijai un papildus dimensijām;
• spēcīgo un vājo mijiedarbību dabas likumu izpēte ļoti augstās enerģijās.

Detektori — ko tie redz

Katrs no lielajiem LHC detektoriem ir izstrādāts īpašiem mērķiem:

• ATLAS un CMS ir vispārēji detektori, kas meklē plašu spektru jaunus efektus, tostarp Higsa bozonu un potenciālos jaunas fizikas signālus.
• ALICE specializējas smago jonu sadursmēs, lai pētītu kvarku–glūonu plazmu — stāvokli, kādā viela, iespējams, atradās ļoti agrajā Visumā.
• LHCb pētī b-kvarku (krēslas) sadalīšanos un palīdz izprast matērijas un antimatērijas atšķirības.

Datu apstrāde un sadarbība

LHC ģenerē milzīgu datu apjomu — petabaitos gadā. Lai apstrādātu, uzglabātu un analizētu šos datus, izmantots Worldwide LHC Computing Grid — globāls datorresursu tīkls, kas ļauj institūcijām visā pasaulē dalīties ar resursiem un analizēt eksperimentu rezultātus.

Drošība un sabiedriskās bažas

Ir bijušas sabiedrības bažas par to, vai LHC var izraisīt bīstamas parādības, piemēram, melnās caurumu veidošanos. Zinātnieku aprēķini un drošības novērtējumi liecina, ka LHC nerada risku Zemei: ja rodas kādi mikroskopiski neparedzēti objekti, tie būtu ārkārtīgi īslaicīgi un ātri iztvaikot, saskaņā ar teorētiskām prognozēm (piemēram, Hokainga starojuma izzušana), un netiktu novēroti kā bīstami.

Nākotne un modernizācija

LHC darbība tiek pakāpeniski uzlabota. Notiek projekti, piemēram, High-Luminosity LHC (HL-LHC), kas palielinās luminositāti (sadursmju biežumu), ļaujot reģistrēt vairāk retu procesu un iegūt precīzākus mērījumus. Mērķis ir palielināt dati par vairākiem reižu desmitiem, salīdzinot ar sākotnējo programmu, kas sniegs plašākas iespējas jaunas fizikas meklējumiem.

Kā jūs varat uzzināt vairāk

Ja interesē LHC aktivitātes un atklājumi, CERN regulāri publicē ziņas, skaidrojumus un izglītojošus materiālus. Zinātniskie raksti, publikācijas un dati no eksperimentiem nereti ir pieejami plašākai sabiedrībai, un ir daudz materiālu, kas skaidro kompleksās idejas vienkāršā valodā.

Īsumā — LHC ir unikāla zinātniskā ierīce, kas ļauj pētniekiem reproducēt un izpētīt ekstremālus apstākļus, kas valdīja Visuma agrīnajos posmos, sniedzot dziļāku izpratni par fundamentālajām dabas likumiem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Lielais hadronu paātrinātājs (LHC)?

J: Kur atrodas LHC?

J: Kas strādāja pie projekta?

J: Cik izmaksāja tā būvniecība?

J: Kādas daļiņas tiek izmantotas LHC eksperimentos?

Meklēt pēc burta