오늘은 세계 과학 혁명의 시작입니다. CERN에는 세계에서 가장 크고 가장 비싸며 강력한 과학 장비 복합체인 대형 강입자 충돌기가 포함될 것입니다. 발사와 관련된 흥분은 과학과는 거리가 먼 사람들을 포함하여 지구 전체를 사로잡았습니다. 많은 사람들이 가장 강력한 가속기의 7배에 달하는 에너지를 사용하는 시설을 발사하면 블랙홀이 생성되거나 지구를 완전히 파괴할 수 있는 반물질이 생성될 수 있다고 주장하며 당황하고 있습니다.

그러한 “열정주의자” 중 일부는 유럽 인권 재판소에 고소장을 제출하기도 했습니다. 그들은 “가속기 발사 준비 과정에서 특히 원자력 발전소 시운전을 위해 제공된 표준 절차”를 따르지 않았다고 주장합니다. 그러나 인류는 가속기 구축에 있어 방대한 경험을 갖고 있습니다. 각각의 출시가 대량 히스테리와 관련이 있다는 사실에도 불구하고 그러한 장치 하나도 파괴나 사상자로 이어지지 않았습니다.

CERN 과학자들은 충돌기의 작업으로 인해 블랙홀이 형성될 수 있다는 사실을 부인하지 않는다고 말해야 합니다. 무게가 10억분의 1그램도 안되는 아주 작은 것들만요. 게다가 그들은 아주 짧은 순간 동안만 “살아” 있습니다. 따라서 블랙홀 실험은 CERN, 제네바 직원 및 지구에 더 이상 위험을 초래하지 않습니다.

LHC에 대해 이야기하면 출시 후 첫날에는 최대 용량으로 켜지지 않습니다. 첫 번째 양성자 빔은 매우 낮은 전력으로 통과합니다. 가속기는 모든 것이 순조롭게 진행되는 경우에만 최대 용량으로 작동하기 시작합니다. 또한 다른 가속기와 마찬가지로 충돌기가 건설되기 오래 전에 과학자들은 당연히 우선 충돌기의 신뢰성과 안전성에 대해 걱정합니다. 따라서 LHC의 작업으로 인해 발생할 수 있는 모든 위협은 수년 전에 특별 국제 위원회에 의해 분석되고 예방되었습니다. 그건 그렇고, 그들은 지구를 반물질이나 블랙홀로 만든 우주 물체로 바꾸는 위협보다 훨씬 덜 효과적입니다.

그러나 충돌체가 전례 없는 14 TeV의 에너지로 작동하기 시작한 후에는 세상이 결코 예전과 같지 않을 것이라고 주장하는 사람은 아무도 없습니다. 예를 들어, 인터넷상의 정보 폭발은 절대적으로 불가피합니다. 매초마다 엄청난 양의 데이터가 충돌기로부터 수신되고 혁신적인 "미들웨어" 소프트웨어와 그리드 시스템 덕분에 모든 물리학자가 이를 사용할 수 있기 때문입니다. 올해가 끝나기 전에도 LHC는 5초마다 DVD 1장(5GB)에 해당하는 정보량을 제공하기 시작할 것입니다. 그리고 그 활동의 연간 결과인 15페타바이트(1,500만 기가바이트)는 얻은 데이터 양 측면에서 과학 역사상 다른 ​​어떤 실험도 능가할 것입니다. 이와 관련하여 충돌기는 마치 쓰나미처럼 월드 와이드 웹에 쏟아져 들어오는 새로운 지식의 무한한 원천이 될 것입니다. 그러나 이는 충돌기 자체의 작업과 마찬가지로 사람이나 컴퓨터 모두에 위험하지 않습니다.

충돌기의 발사는 또한 물리학자들의 현대적 견해를 위협하게 될 것입니다. 기본 입자의 "거동"을 설명하는 일련의 물리적 이론인 표준 모델에 대한 최종적이고 결정적인 실험 테스트가 있을 것입니다. 과학자들이 아직 가설적이지만 중요한 요소인 힉스 보손을 찾지 못했다면 표준 모델을 수정해야 합니다. 그러나 우리 시대에 받아 들여진 물리 이론의 재구성 (및 확인)은 누구에게도 비극이 될 것 같지 않습니다. 과학자들은 항상 의심의 길에 서 있기 때문에 믿음을 잃는 것을 결코 두려워하지 않습니다.

혁명은 깊이 100m에 위치한 27km 고리 내부의 양성자가 분열되어 발생합니다. 과학자들은 핵 잔해를 연구함으로써 힉스 보손의 존재를 확인하거나 반증할 뿐만 아니라 아직 우주 질량의 대부분을 구성하는 입자를 발견하지 못한 반물질과 "암흑 물질"의 신비를 밝혀내려고 합니다. 또한 충돌기를 사용하면 쿼크-글루온 플라즈마, 즉 빅뱅의 첫 순간에 있었던 물질의 상태를 자세히 연구할 수 있습니다.

그리고 마지막으로 LHC가 우리나라가 적극적으로 참여하는 국제 프로젝트의 일환으로 만들어졌다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이 프로젝트에는 러시아 연방의 50개 이상의 과학 기관 및 기업이 참여했습니다. 그 중에는 국립 연구 센터 "Kurchatov Institute", G.I. Budker의 이름을 딴 노보시비르스크 핵 물리학 연구소, 고에너지 물리학 연구소, 모스크바 주립 대학 MEPhI 이론 및 실험 물리학 연구소와 같은 유명한 과학 센터가 있습니다. Sarov와 Snezhinsk의 핵 센터. CERN 심사위원단의 결정에 따라 최고의 제조업체로 금메달을 수상한 NIKIET, Myasishchev 디자인국, Podolsk의 NPO Luch를 포함하여 고유한 장비의 많은 부품이 우리 기업에서 제작되었습니다. 우리가 알고 있듯이 유럽과 아시아 최고의 과학 센터 및 기업인 프로젝트에 참여한 외국 참가자들도 실망하지 않았습니다. 따라서 공동의 노력을 통해 이전에는 볼 수 없었던 장치가 잘 고안되었을 뿐만 아니라 잘 실행되었습니다. 이는 그에게 어떠한 사고도 예상할 수 없다는 것을 다시 한번 증명한다.

"대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)"라는 문구는 미디어에 너무 깊이 자리 잡았기 때문에 기본 입자의 물리학이나 일반적인 과학과 전혀 관련이 없는 활동을 포함하여 압도적인 수의 사람들이 이 설치에 대해 알고 있습니다.

실제로 이러한 대규모의 비용이 많이 드는 프로젝트는 언론에서 무시할 수 없었습니다. 약 27km 길이의 링 설치로 수백억 달러의 비용이 들며 전 세계 수천 명의 과학자가 작업하고 있습니다. 충돌기의 인기에 크게 기여한 것은 소위 "신의 입자" 또는 힉스 보손(Higgs boson)으로, 이는 성공적으로 광고되었으며 Peter Higgs는 2013년에 노벨 물리학상을 받았습니다.

우선, 대형 강입자 충돌기는 처음부터 만들어진 것이 아니라 이전 모델인 LEP(대형 전자-양전자 충돌기) 현장에서 발생했다는 점에 유의해야 합니다. 27km 터널에 대한 작업은 1983년에 시작되었으며 나중에 전자와 양전자를 충돌시킬 가속기를 찾을 계획이었습니다. 1988년에 원형 터널이 폐쇄되었고 작업자들은 터널 양끝의 차이가 1cm에 불과할 정도로 조심스럽게 터널에 접근했습니다.

가속기는 2000년 말까지 작동하여 최고 에너지인 209GeV에 도달했습니다. 그 후 해체가 시작되었습니다. 11년 동안 운영된 LEP는 W 보존과 Z 보존의 발견과 추가 연구를 포함하여 물리학에 수많은 발견을 가져왔습니다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 전자기 및 약한 상호 작용의 메커니즘이 유사하다는 결론을 얻었으며 그 결과 이러한 상호 작용을 전기 약성으로 결합하는 이론적 작업이 시작되었습니다.

2001년에는 전자-양전자 가속기 부지에 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider) 건설이 시작되었습니다. 새로운 가속기 건설은 2007년 말에 완료되었습니다. 그것은 프랑스와 스위스 국경, 제네바 호수 계곡 (제네바에서 15km), 깊이 100m의 LEP 사이트에 위치했습니다. 2008년 8월 충돌기 테스트가 시작되었고 9월 10일 LHC가 공식 출시되었습니다. 이전 가속기와 마찬가지로 시설의 건설 및 운영은 유럽 원자력 연구 기구(CERN)가 주도합니다.

CERN

CERN(Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) 조직에 대해 간략하게 언급할 가치가 있습니다. 이 조직은 고에너지 물리학 분야에서 세계 최대 규모의 실험실 역할을 하고 있습니다. 3,000명의 정규직 직원이 포함되어 있으며, 80개국의 수천 명 이상의 연구원과 과학자가 CERN 프로젝트에 참여하고 있습니다.

현재 이 프로젝트에는 벨기에, 덴마크, 프랑스, ​​독일, 그리스, 이탈리아, 네덜란드, 노르웨이, 스웨덴, 스위스, 영국(설립자, 오스트리아, 스페인, 포르투갈, 핀란드, 폴란드, 헝가리) 등 22개국이 참여하고 있습니다. , 체코, 슬로바키아, 불가리아, 루마니아 - 가입했습니다. 그러나 위에서 언급했듯이 수십 개의 국가가 어떤 방식으로든 조직 작업, 특히 Large Hadron Collider에 참여하고 있습니다.

대형 강입자 충돌기는 어떻게 작동합니까?

대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)란 무엇이며 어떻게 작동하는지가 대중의 관심을 끄는 주요 질문입니다. 이러한 질문을 더 자세히 살펴보겠습니다.

Collider – 영어로 번역하면 "충돌하는 사람"을 의미합니다. 이러한 설정의 목적은 입자를 충돌시키는 것입니다. 강입자 충돌기의 경우 입자는 강한 상호작용에 참여하는 입자인 강입자에 의해 재생됩니다. 이들은 양성자입니다.

양성자 얻기

양성자의 긴 여행은 가스 형태로 수소를 받는 가속기의 첫 번째 단계인 듀오플라스마트론에서 시작됩니다. 듀오플라스마트론은 가스를 통해 전기 방전이 이루어지는 방전 챔버입니다. 따라서 단 하나의 전자와 하나의 양성자로 구성된 수소는 전자를 잃습니다. 이러한 방식으로 플라즈마(하전 입자로 구성된 물질)인 양성자가 형성됩니다. 물론, 순수한 양성자 플라즈마를 얻는 것은 어렵기 때문에 분자이온과 전자의 구름도 포함하고 있는 생성된 플라즈마를 필터링하여 양성자 구름을 분리합니다. 자석의 영향으로 양성자 플라즈마가 빔으로 두드려집니다.

입자의 예비 가속

새로 형성된 양성자 빔은 여러 개의 속이 빈 원통형 전극(도체)이 순차적으로 매달린 30m 길이의 고리인 LINAC 2 선형 가속기에서 여행을 시작합니다. 가속기 내부에 생성된 정전기장은 속이 빈 원통 사이의 입자가 항상 다음 전극 방향으로 가속력을 경험하도록 등급이 지정됩니다. 이 단계에서 양성자 가속 메커니즘을 완전히 조사하지 않고도 물리학자들은 LINAC 2의 출력에서 ​​이미 광속의 31%에 도달한 50 MeV 에너지의 양성자 빔을 수신한다는 점만 알아두겠습니다. 이 경우 입자의 질량이 5% 증가한다는 점은 주목할 만합니다.

2019~2020년까지 LINAC 2를 LINAC 4로 교체하여 양성자를 160MeV까지 가속할 계획입니다.

충돌기는 또한 납 이온을 가속시켜 쿼크-글루온 플라즈마 연구를 가능하게 한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. LINAC 2와 유사하게 LINAC 3 링에서 가속됩니다. 앞으로는 아르곤과 크세논을 사용한 실험도 계획되어 있습니다.

다음으로 양성자 패킷은 양성자 동기 부스터(PSB)로 들어갑니다. 이는 전자기 공진기가 위치한 직경 50m의 중첩된 4개의 링으로 구성됩니다. 그들이 생성하는 전자기장은 높은 강도를 가지며, 이를 통과하는 입자는 필드 전위차의 결과로 가속을 받습니다. 따라서 단 1.2초 후에 입자는 PSB에서 광속의 91%까지 가속되어 1.4GeV의 에너지에 도달한 후 양성자 싱크로트론(PS)으로 들어갑니다. PS는 직경이 628미터이고 입자 빔을 원형 궤도로 유도하는 27개의 자석을 갖추고 있습니다. 여기서 입자 양성자는 26 GeV에 도달합니다.

양성자를 가속하기 위한 두 번째 고리는 SPS(Super Proton 싱크로트론)로 둘레가 7km에 이릅니다. 1317개의 자석이 장착된 SPS는 입자를 450GeV의 에너지로 가속합니다. 약 20분 후에 양성자 빔이 주 고리인 LHC(Large Hadron Collider)로 들어갑니다.

LHC 내 입자의 가속과 충돌

가속기 링 사이의 전이는 강력한 자석에 의해 생성된 전자기장을 통해 발생합니다. 충돌기의 메인 링은 입자가 반대 방향으로 원형 궤도를 그리며 움직이는 두 개의 평행선으로 구성됩니다. 약 10,000개의 자석이 입자의 원형 궤적을 유지하고 입자를 충돌 지점으로 안내하는 역할을 하며, 일부 자석의 무게는 최대 27톤에 달합니다. 자석의 과열을 방지하기 위해 헬륨-4 회로가 사용되며, 이를 통해 -271.25°C(1.9K)의 온도에서 약 96톤의 물질이 흐릅니다. 양성자는 6.5 TeV의 에너지에 도달하며(즉, 충돌 에너지는 13 TeV), 속도는 빛의 속도보다 11km/h 느립니다. 따라서 1초 안에 양성자 빔이 충돌기의 큰 고리를 11,000번 통과합니다. 입자가 충돌하기 전에 5~24시간 동안 링 주위를 순환합니다.

입자 충돌은 ATLAS, CMS, ALICE 및 LHCb의 4개 탐지기가 위치한 주 LHC 링의 4개 지점에서 발생합니다.

대형 강입자 충돌기 탐지기

ATLAS(토로이달 LHC 장치)

— LHC(Large Hadron Collider)에 있는 두 개의 범용 탐지기 중 하나입니다. 그는 힉스 보손(Higgs boson) 검색부터 암흑 물질을 구성할 수 있는 입자까지 광범위한 물리학을 탐구합니다. ATLAS는 CMS 실험과 동일한 과학적 목표를 가지고 있지만 다른 기술 솔루션과 다른 자기 시스템 설계를 사용합니다.

LHC의 입자 빔은 ATLAS 감지기 중앙에서 충돌하여 충돌 지점에서 모든 방향으로 날아가는 새로운 입자 형태의 다가오는 잔해를 생성합니다. 충격 지점 주위에 층으로 배열된 6개의 서로 다른 감지 하위 시스템이 입자의 경로, 운동량 및 에너지를 기록하여 입자를 개별적으로 식별할 수 있습니다. 거대한 자석 시스템은 전하 입자의 충격을 측정할 수 있도록 경로를 구부립니다.

ATLAS 감지기의 상호 작용으로 인해 엄청난 양의 데이터 흐름이 생성됩니다. 이 데이터를 처리하기 위해 ATLAS는 고급 "트리거" 시스템을 사용하여 감지기에 기록할 이벤트와 무시할 이벤트를 알려줍니다. 그런 다음 정교한 데이터 수집 및 계산 시스템을 사용하여 기록된 충돌 이벤트를 분석합니다.

탐지기의 크기는 높이 46m, 폭 25m, 질량은 7,000톤이다. 이러한 매개변수를 통해 ATLAS는 지금까지 만들어진 입자 탐지기 중 가장 큰 입자 탐지기입니다. 그것은 스위스 메이린(Meyrin) 마을 근처의 CERN 주요 현장 근처의 깊이 100m 터널에 위치하고 있습니다. 설치는 4가지 주요 구성요소로 구성됩니다.

• 내부 탐지기는 원통형이며, 내부 링은 통과하는 입자 빔의 축에서 불과 몇 센티미터 떨어져 있으며, 외부 링의 직경은 2.1m, 길이는 6.2m입니다. 이는 자기장에 포함된 세 가지 서로 다른 센서 시스템으로 구성됩니다. 내부 검출기는 각 양성자-양성자 충돌에서 생성된 전하를 띤 입자의 방향, 운동량 및 전하를 측정합니다. 내부 검출기의 주요 요소는 픽셀 검출기, 반도체 추적기(SCT) 및 전이 방사선 추적기(TRT)입니다.

• 열량계는 입자가 검출기를 통과할 때 손실되는 에너지를 측정합니다. 충돌 중에 발생하는 입자를 흡수하여 에너지를 기록합니다. 열량계는 고밀도 "흡수" 물질인 납 층과 "활성 매체"인 액체 아르곤 층으로 구성됩니다. 전자기 열량계는 물질과 상호 작용할 때 전자와 광자의 에너지를 측정합니다. 강입자 열량계는 강입자가 원자핵과 상호 작용할 때 강입자의 에너지를 측정합니다. 열량계는 뮤온과 중성미자를 제외한 대부분의 알려진 입자를 차단할 수 있습니다.

LAr(액체 아르곤 열량계) - ATLAS 열량계

• 뮤온 분광계(Muon Spectrometer) - 뮤온을 식별하고 운동량을 측정하기 위해 4가지 서로 다른 기술을 사용하는 4000개의 개별 뮤온 챔버로 구성됩니다. 뮤온은 일반적으로 내부 검출기와 열량계를 통과하므로 뮤온 분광계가 필요합니다.

• ATLAS의 자기 시스템은 감지기 시스템의 여러 층 주위에서 입자를 구부려 입자 추적을 더 쉽게 추적할 수 있도록 합니다.

ATLAS 실험(2012년 2월)에는 38개국 174개 기관의 3,000명 이상의 과학자가 참여했습니다.

CMS(소형 뮤온 솔레노이드)

— LHC(Large Hadron Collider)의 범용 탐지기입니다. ATLAS와 마찬가지로 표준 모델(힉스 보존 포함) 연구부터 암흑 물질을 구성할 수 있는 입자 검색까지 광범위한 물리학 프로그램을 갖추고 있습니다. ATLAS 실험과 동일한 과학적 목표를 가지고 있지만 CMS는 다른 기술 솔루션과 다른 자기 시스템 설계를 사용합니다.

CMS 감지기는 거대한 솔레노이드 자석을 중심으로 제작되었습니다. 이는 지구 자기장의 약 100,000배에 달하는 4테슬라 장을 생성하는 초전도 케이블의 원통형 코일입니다. 이 필드는 무게가 14,000톤에 달하는 탐지기의 가장 거대한 구성 요소인 강철 "요크"에 의해 제한됩니다. 전체 감지기는 길이 21m, 너비 15m, 높이 15m입니다. 설치는 4개의 주요 구성 요소로 구성됩니다.

• 솔레노이드 자석은 세계에서 가장 큰 자석으로 충격 지점에서 방출되는 하전 입자의 궤적을 구부리는 역할을 합니다. 궤적 왜곡을 사용하면 양전하 입자와 음전하 입자(반대 방향으로 구부러지기 때문에)를 구별할 수 있을 뿐만 아니라 궤적의 곡률에 따라 크기가 달라지는 운동량을 측정할 수 있습니다. 솔레노이드의 크기가 커서 추적기와 열량계를 코일 내부에 배치할 수 있습니다.
• Silicon Tracker - 동심원 레이어로 배열된 7,500만 개의 개별 전자 센서로 구성됩니다. 하전 입자가 추적기의 레이어를 통해 날아갈 때 에너지의 일부가 각 레이어로 전달됩니다. 이러한 입자 충돌 지점을 다른 레이어와 결합하면 해당 궤적을 더 자세히 결정할 수 있습니다.
• 열량계 – 전자 및 하드론, ATLAS 열량계 참조.
• 하위 탐지기 - 뮤온을 탐지할 수 있습니다. 그들은 "요크"의 금속판과 번갈아 가며 코일 외부 층에 위치한 1,400개의 뮤온 챔버로 표시됩니다.

CMS 실험은 역사상 가장 큰 국제 과학 연구 중 하나로, 42개국 182개 기관의 입자 물리학자, 엔지니어, 기술자, 학생 및 지원 직원 등 4,300명이 참여했습니다(2014년 2월).

앨리스(대형 이온 충돌기 실험)

— LHC(Large Hadron Collider) 링에 있는 중이온 탐지기입니다. 이는 쿼크-글루온 플라즈마라고 불리는 물질의 단계가 형성되는 극한의 에너지 밀도에서 강하게 상호 작용하는 물질의 물리학을 연구하도록 설계되었습니다.

오늘날 우주의 모든 일반적인 물질은 원자로 구성되어 있습니다. 각 원자에는 전자 구름으로 둘러싸인 양성자와 중성자 핵(중성자가 없는 수소 제외)이 포함되어 있습니다. 양성자와 중성자는 쿼크가 글루온이라는 다른 입자와 결합되어 만들어집니다. 쿼크는 단독으로 관찰된 적이 없습니다. 쿼크와 글루온은 영구적으로 서로 결합되어 양성자와 중성자와 같은 구성 입자 내에 갇혀 있는 것처럼 보입니다. 이것을 감금이라고 합니다.

LHC의 충돌은 태양 중심보다 100,000배 이상 더 뜨거운 온도를 생성합니다. 충돌기는 납 이온 간의 충돌을 가능하게 하여 빅뱅 직후 발생한 것과 유사한 조건을 재현합니다. 이러한 극단적인 조건에서 양성자와 중성자는 "녹아" 글루온과의 결합에서 쿼크가 분리됩니다. 이것이 쿼크-글루온 플라즈마입니다.

ALICE 실험은 무게 10,000톤, 길이 26m, 높이 16m, 폭 16m의 ALICE 탐지기를 사용합니다. 이 장치는 추적 장치, 열량계 및 입자 식별 감지기의 세 가지 주요 구성 요소 세트로 구성됩니다. 또한 18개의 모듈로 나누어져 있습니다. 탐지기는 프랑스 Saint-Denis-Pouilly 마을 근처, 지하 56m 깊이의 터널에 위치해 있습니다.

실험에는 30개국 100개 이상의 물리학 연구소에서 온 1,000명 이상의 과학자가 참여했습니다.

LHCb (대형 강입자 충돌기 미용 실험)

– 이 실험은 뷰티 쿼크 또는 b 쿼크라고 불리는 입자 유형을 연구하여 물질과 반물질 사이의 작은 차이를 탐구합니다.

LHCb 실험은 ATLAS 및 CMS와 같은 폐쇄형 탐지기로 전체 충돌 지점을 둘러싸는 대신 일련의 하위 탐지기를 사용하여 주로 전방 입자(충돌로 인해 한 방향으로 향하는 입자)를 탐지합니다. 첫 번째 보조 감지기는 충돌 지점 가까이에 설치되고, 나머지 감지기는 20m 거리에 차례로 설치됩니다.

LHC는 다른 형태로 빠르게 붕괴되기 전에 다양한 유형의 쿼크를 풍부하게 생성합니다. b 쿼크를 포착하기 위해 충돌기를 통과하는 입자 빔의 움직임 가까이에 위치한 LHCb용 복잡한 이동 추적 감지기가 개발되었습니다.

5,600톤 규모의 LHCb 검출기는 직접 분광계와 평판형 검출기로 구성됩니다. 길이 21m, 높이 10m, 폭 13m이며 지하 100m에 위치해 있다. 66개 기관 및 대학의 약 700명의 과학자가 LHCb 실험에 참여하고 있습니다(2013년 10월).

충돌기에서의 다른 실험

위의 Large Hadron Collider 실험 외에도 설치에 대한 두 가지 다른 실험이 있습니다.

• LHCf(대형 강입자 충돌기 전방)— 입자 빔의 충돌 후 앞으로 던져진 입자를 연구합니다. 과학자들이 실험의 일부로 연구하고 있는 우주선을 시뮬레이션합니다. 우주선(Cosmic Rays)은 지구 대기권을 지속적으로 공격하는 우주 공간에서 자연적으로 발생하는 전하 입자입니다. 그들은 상층 대기의 핵과 충돌하여 지상에 도달하는 입자의 폭포를 일으킵니다. LHC 내부의 충돌이 이러한 입자 폭포를 생성하는 방법을 연구하면 물리학자들이 수천 킬로미터에 걸친 대규모 우주선 실험을 해석하고 보정하는 데 도움이 될 것입니다.

LHCf는 ATLAS 충돌 지점 양쪽에서 140m 떨어진 LHC를 따라 위치한 두 개의 탐지기로 구성됩니다. 두 감지기 각각의 무게는 40kg에 불과하며 길이 30cm, 높이 80cm, 너비 10cm입니다. LHCf 실험에는 5개국 9개 연구소의 과학자 30명이 참여했습니다(2012년 11월).

• TOTEM(총 단면적, 탄성 산란 및 회절 해리)- 충돌체에 가장 오랫동안 설치한 실험입니다. 그 임무는 낮은 각도 충돌에서 생성된 양성자를 정확하게 측정하여 양성자 자체를 연구하는 것입니다. 이 영역은 "앞으로" 방향으로 알려져 있으며 다른 LHC 실험에서는 접근할 수 없습니다. TOTEM 감지기는 CMS 상호 작용 지점 주위로 거의 0.5km 확장됩니다. TOTEM은 4개의 핵 망원경과 26개의 로마 냄비 탐지기를 포함하여 약 3,000kg의 장비를 보유하고 있습니다. 후자 유형을 사용하면 검출기를 입자 빔에 최대한 가깝게 배치할 수 있습니다. TOTEM 실험에는 8개국 16개 연구소의 약 100명의 과학자가 참여합니다(2014년 8월).

대형 강입자 충돌기가 필요한 이유는 무엇입니까?

가장 큰 규모의 국제 과학 시설에서는 광범위한 물리적 문제를 탐구합니다.

• 최고 쿼크 연구. 이 입자는 가장 무거운 쿼크일 뿐만 아니라 가장 무거운 기본 입자이기도 합니다. 톱 쿼크의 특성을 연구하는 것도 연구 도구이기 때문에 의미가 있습니다.
• 힉스 보손(Higgs boson)을 검색하고 연구합니다. CERN은 힉스 보손이 이미 발견되었다고 주장하지만(2012년), 그 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없으며 추가 연구를 통해 그 작동 메커니즘을 더 명확하게 이해할 수 있습니다.

• 쿼크-글루온 플라즈마 연구. 납 핵이 고속으로 충돌하면 충돌기에서 . 그녀의 연구는 핵물리학(강한 상호작용 이론 개선)과 천체물리학(우주 탄생 초기 연구) 모두에 유용한 결과를 가져올 수 있습니다.
• 초대칭을 검색하세요. 이 연구의 목표는 모든 기본 입자가 "초입자"라고 불리는 더 무거운 파트너를 가지고 있다는 이론인 "초대칭"을 반증하거나 증명하는 것입니다.
• 광자-광자 및 광자-강체 충돌에 대한 연구. 이러한 충돌 과정의 메커니즘에 대한 이해가 향상될 것입니다.
• 이국적인 이론을 테스트합니다. 이 작업 범주에는 미니 블랙홀을 생성하여 평행 우주를 검색하는 것과 같이 가장 색다른 "이국적인" 작업이 포함됩니다.

이러한 과제 외에도 다른 많은 과제가 있으며, 그 솔루션을 통해 인류는 자연과 주변 세계를 더 나은 수준으로 이해할 수 있으며, 이는 결국 새로운 기술 창출의 기회를 열어줄 것입니다.

대형 강입자 충돌기 및 기초 과학의 실질적인 이점

우선, 기초연구는 기초과학에 기여한다는 점에 주목해야 한다. 응용과학은 이러한 지식의 적용을 다룬다. 기초 과학의 이점을 인식하지 못하는 사회 계층은 종종 힉스 보존의 발견이나 쿼크-글루온 플라즈마의 생성을 중요한 것으로 인식하지 않습니다. 그러한 연구와 일반인의 삶의 연관성은 분명하지 않습니다. 원자력 에너지에 대한 간단한 예를 살펴보겠습니다.

1896년 프랑스 물리학자 앙투안 앙리 베크렐은 방사능 현상을 발견했습니다. 오랫동안 인류는 곧 산업 용도로 전환하지 않을 것이라고 믿었습니다. 역사상 최초의 원자로가 발사되기 불과 ​​5년 전인 1911년 실제로 원자핵을 발견한 위대한 물리학자 어니스트 러더퍼드는 원자력은 결코 응용될 수 없을 것이라고 말했습니다. 전문가들은 1939년 독일 과학자 Lise Meitner와 Otto Hahn이 중성자로 조사되면 우라늄 핵이 두 부분으로 나뉘어 엄청난 양의 에너지를 방출한다는 사실을 발견했을 때 원자핵에 포함된 에너지에 대한 태도를 다시 생각해 보았습니다. 에너지.

그리고 일련의 기초 연구 중 이 마지막 연결이 이루어진 후에야 응용 과학이 작동하게 되었고, 이러한 발견을 바탕으로 원자력을 생산하는 장치인 원자로를 발명했습니다. 이번 발견의 규모는 원자로가 생산하는 전기의 비중을 보면 알 수 있다. 예를 들어 우크라이나에서는 원자력 발전소가 전력 생산량의 56%를 차지하고 프랑스에서는 76%를 차지합니다.

모든 새로운 기술은 특정 기본 지식을 기반으로 합니다. 다음은 몇 가지 간단한 예입니다.

• 1895년에 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Roentgen)은 X선에 노출되면 사진 건판이 어두워지는 것을 발견했습니다. 오늘날 방사선 촬영은 의학에서 가장 많이 사용되는 검사 중 하나로, 내부 장기의 상태를 연구하고 감염과 부기를 발견할 수 있습니다.
• 1915년에 알베르트 아인슈타인은 자신만의 제안을 했습니다. 오늘날 이 이론은 몇 미터의 정확도로 물체의 위치를 ​​결정하는 GPS 위성을 작동할 때 고려됩니다. GPS는 셀룰러 통신, 지도 제작, 교통 모니터링에 사용되지만 주로 내비게이션에 사용됩니다. 일반 상대성이론을 고려하지 않은 위성의 오차는 발사 순간부터 하루에 10km씩 증가합니다! 보행자가 마음과 종이 지도를 사용할 수 있다면 항공사 조종사는 구름을 타고 항해하는 것이 불가능하기 때문에 어려운 상황에 처하게 될 것입니다.

오늘날 LHC에서 발견한 내용을 실제로 적용할 수 있는 방법이 아직 발견되지 않았다고 해서 과학자들이 "가속기를 헛되이 만지작거리고 있다"는 의미는 아닙니다. 아시다시피, 합리적인 사람은 항상 기존 지식에서 최대한의 실제 적용을 얻으려고 하기 때문에 LHC에서 연구 과정에서 축적된 자연에 대한 지식은 조만간 분명히 적용을 찾을 것입니다. 위에서 이미 설명한 것처럼, 근본적인 발견과 이를 사용하는 기술 사이의 연관성은 때때로 전혀 명확하지 않을 수 있습니다.

마지막으로 연구의 초기 목표로 설정되지 않은 소위 간접적인 발견에 주목하겠습니다. 근본적인 발견을 위해서는 일반적으로 새로운 기술의 도입과 사용이 필요하기 때문에 이러한 현상은 매우 자주 발생합니다. 따라서 광학의 발전은 천문학자들이 망원경을 통해 관찰한 것을 바탕으로 한 근본적인 우주 연구로부터 자극을 받았습니다. CERN의 경우 유비쿼터스 기술이 등장한 방식이 바로 인터넷입니다. 인터넷은 CERN 조직 데이터를 더 쉽게 찾을 수 있도록 1989년 Tim Berners-Lee가 제안한 프로젝트입니다.

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유럽입자물리연구소(CERN)에서 시험 중인 세계에서 가장 강력한 입자가속기인 대형 강입자 충돌기는 발사 전부터 소송의 대상이 됐다. 누가 과학자들을 고소했으며 그 이유는 무엇입니까?

대형강입자충돌기를 판단하지 마세요...하와이 주민 Walter Wagner와 Luis Sancho는 호놀룰루 연방 지방 법원에 CERN과 프로젝트에 참여한 미국 참가자 인 에너지 부, 국립 과학 재단 및 Fermi National Accelerator Laboratory를 상대로 소송을 제기했습니다. 이 이유.

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미국 시민들은 일어난 사건을 시뮬레이션하기 위해 가속기에서 수행될 거대 에너지 아원자 입자의 충돌을 두려워했습니다. 빅뱅 이후 첫 순간에 우주에서객체를 생성할 수 있다 지구의 존재를 위협하는.

Cern의 대형 강입자 충돌기. 프레임에는 CMS 검출기의 Higgs 보존 생산 과정 시뮬레이션이 있습니다.

원고에 따르면 위험은 주로 소위 블랙홀에서 비롯됩니다. 예를 들어 일부 대도시와 같이 지구상의 일부 물체를 흡수합니다.

2008년 4월 초 법정에 소송이 제기됐음에도 불구하고 전문가들은 이를 전혀 만우절 농담으로 여기지 않았다.

그리고 4월 6일에는 원자력연구센터에서 일반인, 언론인, 학생, 초등학생을 초대해 가속기 견학을 하는 공개일을 마련해 이 독특한 과학기기를 눈으로 직접 볼 수 있을 뿐만 아니라, 또한 모든 질문에 대한 포괄적인 답변을 받을 수도 있습니다.

우선, 프로젝트 주최자들은 LHC가 어떤 식으로든 '세상의 종말'의 주범이 될 수 없다는 점을 방문객들에게 설득하려고 노력했습니다.

예, 둘레 27km의 원형 터널에 위치한 충돌기(영어 충돌 - "충돌")는 양성자 빔을 가속하고 초당 4천만 번 최대 14테라전자볼트의 에너지로 충돌시킬 수 있습니다.

물리학자들은 빅뱅 이후 1조분의 1초에 발생한 조건을 재현함으로써 우주의 시작에 관한 귀중한 정보를 얻을 수 있다고 믿습니다.

대형 강입자 충돌기와 블랙홀

그러나 CERN 대표 제임스 길스(James Gills)는 이 경우 블랙홀이 나타날 가능성이나 전혀 알려지지 않은 무언가가 나타날 가능성에 대해 큰 의구심을 표명했습니다. 그리고 충돌기의 안전성 평가는 이론가들에 의해 지속적으로 수행될 뿐만 아니라 단순히 실습을 기반으로 수행되기 때문입니다.

“CERN의 실험이 안전하다는 중요한 주장은 지구의 존재 자체입니다.”라고 그는 말했습니다.

– 우리 행성은 지속적으로 우주 방사선의 흐름에 노출되어 있으며, 그 에너지는 Cernov의 에너지보다 열등하지 않고 종종 초과하며 블랙홀이나 다른 이유로 아직 파괴되지 않았습니다.

한편, 우리가 계산한 대로, 우주가 존재하는 동안 자연은 우리가 곧 구현하려는 프로그램과 유사한 프로그램을 최소 1031개 완료했습니다."

그는 실험의 결과로 발생하는 반입자와 관련된 통제되지 않은 소멸 반응의 가능성에 대해 특별한 위험을 보지 않습니다.

“그들은 실제로 CERN에서 반물질을 생산합니다.– 과학자는 New Scientist 잡지와의 인터뷰에서 확인했습니다.

“하지만 지구에서 인공적으로 만들어낼 수 있는 부스러기는 아무리 작은 폭탄이라도 만들기엔 부족할 겁니다.”

반물질을 저장하고 축적하는 것은 극도로 어렵습니다(반물질 유형 중 일부는 완전히 불가능합니다)."...

대형 강입자 충돌기 및 보존

보손을 검색해 보세요.그건 그렇고, 같은 잡지는 모스크바의 Steklov 수학 연구소의 Irina Arefieva 교수와 물리 및 수학 과학 박사 Igor Volovich와 같은 러시아 전문가가 CERN의 대규모 실험이 첫 번째 출현으로 이어질 수 있다고 믿었습니다. .. 세계의 타임머신.

나는 Irina Yaroslavovna Arefieva 교수에게 이 메시지에 대해 논평해 달라고 요청했습니다. 그리고 그녀는 이렇게 말했습니다.

“우리는 아직도 우리 주변 세계의 구조에 대해 아는 바가 거의 없습니다. 고대 그리스인들은 모든 물체가 원자로 구성되어 있다고 믿었다는 것을 기억하십시오. 이는 그리스어로 “나누어질 수 없음”을 의미합니다.

그러나 시간이 지남에 따라 원자 자체가 전자, 양성자 및 중성자로 구성된 다소 복잡한 구조를 가지고 있다는 것이 분명해졌습니다. 20세기 전반에 양성자와 중성자를 가진 동일한 전자가 차례로 여러 개의 입자로 분할될 수 있다는 것이 갑자기 밝혀졌습니다.

처음에는 무작정 초등학생이라고 불렀습니다. 그러나 이제 이러한 소위 기본 입자 중 상당수가 차례로 분할될 수 있다는 것이 분명해지고 있습니다...

일반적으로 이론가들이 소위 표준 모델의 틀 내에서 얻은 모든 지식을 결합하려고 시도했을 때 일부 데이터에 따르면 그 중심 연결은 힉스 보손이라는 것이 밝혀졌습니다.”

신비한 입자의 이름은 에든버러 대학의 피터 힉스(Peter Higgs) 교수에게서 따왔습니다. 유명한 뮤지컬의 히긴스 교수와 달리 그는 예쁜 소녀들의 정확한 발음을 가르치는 것이 아니라 미시 세계의 법칙을 배우는 데 참여했습니다.

그리고 지난 세기 60년대에 그는 다음과 같은 가정을 했습니다. “우리가 보기에 우주는 전혀 비어 있지 않습니다.

전체 공간은 특정 점성 물질로 채워져 있으며, 이를 통해 입자, 원자 및 분자부터 행성, 별 및 은하에 이르기까지 천체 간의 중력 상호 작용이 수행됩니다.”

아주 간단하게 말하면 P. Higgs는 아이디어로 돌아갈 것을 제안했습니다. "전세계 방송" 한때 이미 거부되었습니다. 그러나 다른 사람들과 마찬가지로 물리학자들도 자신의 실수를 인정하는 것을 좋아하지 않기 때문에 이제 이 새로운 물질은 "힉스 장".

그리고 이제 핵입자에 질량을 부여하는 것이 바로 이 힘장이라고 믿어집니다. 그리고 그들의 상호 매력은 처음에는 중력자라고 불렸고 이제는 힉스 보손이라고 불리는 중력 운반체에 의해 보장됩니다.

2000년에 물리학자들은 마침내 힉스 보존을 '잡았다'고 생각했습니다. 그러나 첫 번째 실험을 테스트하기 위해 수행된 일련의 실험에서 보존이 다시 탈출한 것으로 나타났습니다. 그럼에도 불구하고 많은 과학자들은 그 입자가 여전히 존재한다고 확신하고 있습니다.

그리고 그것을 잡으려면 더욱 안정적인 함정을 만들고 더욱 강력한 가속기를 만들어야 합니다. 인류의 가장 야심찬 도구 중 하나가 제네바 근처의 CERN에서 보편적인 노력으로 만들어졌습니다.

그러나 힉스 보존은 과학자들의 예측의 타당성을 검증하기 위해서뿐만 아니라 '우주의 첫 번째 구성 요소' 역할에 대한 또 다른 후보를 찾기 위해서도 잡힌다.

« 특히 우주의 구조에 관한 이국적인 가정이 있습니다.

- 이야 교수가 이야기를 이어갔다. Arefieva.

– 전통 이론에서는 우리가 4차원 세계에 살고 있다고 말합니다.

– 세 개의 공간 좌표와 시간.

대형 강입자 충돌기 측정 이론

그러나 실제로는 6개, 10개 또는 그 이상의 차원이 더 있다는 가설이 있습니다. 이러한 차원에서 중력은 우리가 익숙한 g보다 훨씬 더 높을 수 있습니다.

그리고 아인슈타인의 방정식에 따르면 중력은 시간의 흐름에 영향을 줄 수 있습니다. 여기서 가설이 탄생했다 "타임 머신".하지만 존재한다고 해도 아주 짧은 시간 동안, 아주 적은 양으로 존재할 것이다.”…

Irina Yaroslavovna에 따르면 똑같이 이국적인 것은 충돌하는 광선의 형성에 관한 가설입니다. 소형 블랙홀. 설령 형성되더라도 그 수명이 너무 짧아서 단순히 감지하기가 극히 어려울 것입니다.

예를 들어 호킹의 X선 복사와 같은 간접적인 증거에 의해서만 가능하며 구멍 자체가 사라진 후에도 마찬가지입니다.

요컨대, 일부 계산에 따르면 반응은 단지 10-20 입방미터의 부피에서 발생합니다. cm로 너무 빨라서 실험자는 올바른 센서를 올바른 위치에 배치하고 데이터를 얻은 다음 그에 따라 해석하기 위해 머리를 써야 합니다.

계속…아레피에바 교수가 위의 말을 한 때부터 이 글이 쓰여지기까지 거의 5년이 흘렀습니다.

이 기간 동안 LHC의 첫 번째 테스트 출시뿐만 아니라 여러 차례의 후속 테스트도 진행되었습니다. 이제 아시다시피 모두가 살아 있었고 끔찍한 일은 없었습니다. 작업은 계속됩니다...

과학자들은 이 독특한 과학 시설의 모든 장비의 서비스 가능성을 모니터링하는 것이 매우 어렵다고 불평합니다. 그럼에도 불구하고 그들은 이미 거대한 차세대 입자 가속기인 국제 선형 충돌기(ILC)를 만드는 꿈을 꾸고 있습니다.

CERN, 스위스. 2013년 6월.

어쨌든 국제선형충돌기의 설계를 주도하고 있는 캘리포니아 공과대학 명예교수 배리 배리쉬(Barry Barish)와 그의 동료들이 이에 대해 쓴 글은 다음과 같다.

– 함부르크 출신의 가속기 물리학자 니콜라스 워커 워커(Nicholas Walker Walker)와 일본 도호쿠대학교 물리학과 히토시 야마모토 교수.

미래의 대형 강입자 충돌기

과학자들은 “ILC 설계자들은 이미 미래 충돌기의 주요 매개변수를 결정했습니다.”라고 보고합니다.

– 길이는 약입니다. 31km;주요 부분은 전자-양전자 충돌을 제공하는 두 개의 초전도 선형 가속기가 차지할 것입니다. 500GeV의 에너지로.

초당 5회 ILC는 1ms 펄스에서 거의 3,000개의 전자 및 양전자 다발을 생성, 가속 및 충돌합니다. 이는 각 빔에 대한 10MW의 전력에 해당합니다.

설치 효율은 약 20%가 될 것이므로 ILC가 입자를 가속하는 데 필요한 총 전력은 거의 100MW가 될 것입니다.”

전자빔을 생성하기 위해 갈륨 비소 표적에 레이저가 조사됩니다. 이 경우 각 펄스에서 수십억 개의 전자가 녹아웃됩니다.

이 전자는 짧은 선형 초전도 가속기에서 즉시 5GeV까지 가속된 다음 단지 중앙에 위치한 6.7km 저장 링에 주입됩니다.

링 내에서 이동하면 전자가 싱크로트론 방사선을 생성하고 다발이 압축되어 전하 밀도와 빔 강도가 증가합니다.

중간에 150MeV의 에너지에서 전자 다발은 약간 편향되어 소위 언듈레이터(undulator)라고 불리는 특수 자석으로 향하게 되며, 여기에서 에너지 중 일부가 감마선으로 변환됩니다.

감마선 광자는 분당 약 1,000회전으로 회전하는 티타늄 합금 표적에 부딪힐 것입니다.

이 경우 많은 전자-양전자 쌍이 형성됩니다. 양전자는 포획되어 5 GeV로 가속된 후 다른 압축 링으로 떨어지고 마지막으로 LS 반대쪽 끝에 있는 두 번째 주요 선형 초전도 가속기로 들어갑니다.

전자와 양전자의 에너지가 최종 값인 250GeV에 도달하면 충돌 지점으로 돌진하게 됩니다. 충돌 후 반응 생성물은 트랩으로 보내져 기록됩니다.

대형 강입자 충돌기 비디오

세계에서 가장 크고 가장 강력한 입자 가속기인 LHC(Large Hadron Collider)가 최근 작업에 복귀했습니다. 업그레이드 후 입자 가속기는 두 배의 전력으로 작동하기 시작했습니다. 이것은 초기 출시와 관련된 모든 두려움이 복수로 되살아났다는 것을 의미합니까?

이 사건은 전 세계적으로 예상됐지만 침묵을 지킨 사람이 두 명 있었다. 은퇴한 원자력 안전 책임자인 월터 와그너와 스페인 언론인 루이스 산초였다. 그들은 LHC와 관련된 그들만의 역사를 가지고 있으며 아마도 우리는 양성자 분리 기계의 출시와 관련된 모든 공포 이야기에 대해 그들에게 빚을 지고 있을 것입니다.

충돌기가 2008년에 처음으로 켜지기 몇 달 전, Wagner와 Sancho는 괴물 기계 뒤에 있는 조직, 즉 미국 에너지부, 페르미 국립 가속기 연구소 및 국립 과학 재단을 상대로 소송을 제기했습니다.

인류의 가장 뛰어난 지식인들을 고용한 이들 조직을 한꺼번에 공격하는 것은 고사하고 고소하는 데에는 많은 용기와 아마도 약간의 광기가 필요했다는 것은 말할 필요도 없습니다. 특히 30년간 60억 달러 규모의 프로젝트 건설을 완료한 이후에는 더욱 그렇습니다. 남자들을 보호하기 위해 바그너와 산초는 피할 수 없는 파괴라고 생각했던 것으로부터 세상을 구하려고 노력했습니다.

두려움 중에는 LHC가 문자 그대로 지구를 삼킬 소형 블랙홀을 만들 수 있다는 것이 있었습니다. 소송에서 그들은 다음과 같이 주장했습니다.

“결국 지구 전체는 점점 커지는 마이크로 블랙홀에 빠지게 되고, 이로 인해 지구는 달, 인공위성, ISS 등이 계속해서 공전하는 중형 블랙홀로 변하게 될 것입니다.”

해당 남성들은 '신뢰할 수 있는 위협'을 입증할 수 없다는 이유로 소송이 기각됐다. 그러나 오늘날까지도 지구상에는 LHC가 인류를 멸망시킬 것이라고 확신하는 사람들이 있습니다. Sancho와 Wagner가 틀렸음에도 불구하고 지구는 제자리에 있고 LHC는 수년 동안 연속적으로 작업해 왔습니다. LHC의 과학적 배경이 왜 위협을 암시하지 않는지 이해하는 것이 중요합니다. 이유를 이해하세요 대형 강입자 충돌기그런 치명적인 피해를 입히지는 않을 것입니다.

블랙홀의 탄생

블랙홀은 태양 질량의 4~1억 7천만 배에 이르는 매우 밀도가 높은 소형 물체입니다. 블랙홀은 정의상 거대하지만, 최소한 이론적으로는 수십 마이크로그램의 소량의 물질이 블랙홀을 생성할 수 있을 만큼 촘촘하게 채워질 수 있습니다. 이것은 미세한 블랙홀의 한 예가 될 것입니다.

지금까지 아무도 미세한 블랙홀을 관찰하거나 생성한 적이 없습니다. 심지어 LHC도 마찬가지입니다. 그러나 2008년 처음으로 작동되기 전에 Wagner와 Sancho는 아원자 입자를 빛의 속도의 99.99%로 가속한 다음 충돌하면 블랙홀이 나타날 정도로 밀도가 높은 입자 엉망이 생성될 수 있다는 것을 두려워했습니다.

CERN 물리학자들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 LHC가 그러한 이국적인 현상을 일으키는 것은 불가능할 것이라고 보고합니다. 하지만 아인슈타인이 틀렸다면 어떨까요? 이것이 바그너와 산초가 두려워하는 것입니다.

그럼에도 불구하고, 저명한 천체 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 개발한 또 다른 이론은 LHC 내부에 미세한 블랙홀이 형성되더라도 즉시 붕괴되어 지구 존재에 위협이 되지 않을 것이라고 예측합니다.

1974년 호킹은 블랙홀이 물질을 먹을 뿐만 아니라 극도로 높은 에너지의 호킹 방사선의 형태로 그것을 뱉어낼 것이라고 예측했습니다. 이론에 따르면 블랙홀이 작을수록 더 많은 호킹 복사가 우주로 방출되어 점차 사라집니다. 따라서 가장 작아진 미세한 블랙홀은 우리에게 피해를 주고 파괴되기 전에 사라질 것입니다. 아마도 이것이 우리가 미세한 블랙홀을 보지 못한 이유일 것입니다.

이상한 물질의 탄생

이상한 물질은 우리 주변의 모든 것을 구성하는 일반적인 물질과 다른 개별 가상 입자, 즉 스트랩으로 구성됩니다.

Wagner와 Sancho는 이 이상한 물질이 일반 물질과 합쳐져 “지구 전체를 하나의 커다란 이상한 존재로 만들 수 있다”고 두려워합니다. 물론 Wagner와 Sancho의 우려는 그들의 이론에 근거한 것이 아닙니다. 이러한 생각은 더 진지한 과학계에서 논의되었습니다.

그러나 이상한 물질이나 심지어 하나의 이상한 물질의 정확한 행동을 아는 사람은 아무도 없습니다. 이것이 부분적으로 스트랩렛이 우리 우주를 지배하는 암흑 물질 입자의 후보로 남아 있는 이유입니다.

이 이론을 뒷받침하기 위해 뉴욕 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)의 물리학자들은 금세기 초부터 상대론적 중이온 충돌기(Relative Heavy Ion Collider)에서 이상한 존재를 만들려고 노력해 왔습니다. 지금까지 우리는 스트랩온을 단 한 번도 본 적이 없습니다. 하지만 물론 기회는 항상 있습니다.

만약 브룩헤이븐 국립 연구소가 운 좋게 탐색을 하게 된다면, 일반 물질과 접촉하는 스트레인지렛이 연쇄 반응을 일으켜 당신과 우리 그리고 지구상의 모든 것을 이상한 물질 덩어리로 만들 것이라는 우려가 남아 있습니다. 우리가 그러한 변화에서 살아남을 수 있을지, 무엇이 바뀔지는 누구도 짐작할 수 없습니다. 하지만 알려지지 않은 것은 무섭습니다.

그러나 CERN 물리학자들은 브룩헤이븐이 이상한 물체를 만드는 데 성공한다면 그것이 일반 물질과 상호 작용할 가능성은 매우 작다고 주장합니다.

“충돌기에 의해 생성된 고온에서 이상한 물질을 서로 붙이는 것은 뜨거운 물에서 얼음을 형성하는 것보다 더 어렵습니다.”라고 그들은 말합니다.

자기 단극의 탄생

자연적으로 자석에는 북극과 남극이라는 두 개의 끝이 있습니다. 그러나 19세기 후반, 마리 퀴리의 남편이자 물리학자 피에르 퀴리는 하나의 자극을 가진 입자가 존재할 수 없는 이유가 없다고 주장했습니다.

반세기 이상이 지난 지금, 자기 단극이라고 불리는 그러한 입자는 자연에서 생성되거나 관찰된 적이 없습니다. 즉, 그것은 순전히 가설이다. 그러나 이것이 바그너가 LHC와 같은 강력한 기계가 지구를 파괴할 수 있는 역사상 최초의 자기 단극을 생성할 수 있다고 제안하는 것을 막지는 못했습니다.

"이러한 입자는 양성자와 원자의 붕괴를 촉진하여 다른 유형의 물질로 전환시키는 능력을 가질 수 있습니다."라고 그와 Sancho는 썼습니다.

단극이 우주의 모든 물질의 아원자 구성 요소인 양성자를 파괴할 수 있다는 이론은 기껏해야 추측일 뿐이라고 CERN의 물리학자들은 설명합니다. 하지만 이 이론이 사실이라고 가정해 봅시다. 이 경우, 이 입자는 LHC가 그러한 입자를 생성하기에는 너무 큰 질량을 갖게 됩니다.

일반적으로 우리는 안전합니다.

CERN 물리학자들은 “지구와 다른 천체가 존재한다는 사실은 LHC를 사용하여 위험한 양성자를 먹는 자기 단극을 생성할 가능성을 배제합니다.”라고 말합니다.

물리학자들은 LHC의 출력을 증가시켜 LHC가 처음 발사될 때 작동했던 최대 출력의 두 배를 초과하도록 앞으로 몇 달을 보낼 것입니다. 이것은 지구가 미세한 블랙홀, 스트랩렛 또는 자기 단극에 의해 파괴될 가능성이 없다는 사실을 바꾸지 않습니다.

인류 역사상 가장 큰 물리적 실험을 위한 시설인 대형 강입자 충돌기는 프랑스와 스위스의 28km 지하 고리에 위치해 있어 계속해서 상반된 소문을 불러일으키고 있습니다. 어떤 사람들은 그녀의 기적적인 시간 여행에서 기대하고, 다른 사람들은 물리적 세계 구조의 그림에서 누락된 신의 입자를 발견하고, 또 다른 사람들은 우리 행성을 파괴할 수 있는 빅뱅 시뮬레이션의 끔찍한 결과를 기대합니다.

토론 예고편.

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충돌기에서 수행되는 실험의 본질은 무엇이며 실제로 모든 인류에게 위험을 초래할 수 있습니까? 비록 미미한 확률로 받아들여질지라도 물리적 발견의 중요성은 행성 규모의 위험과 비교할 수 있습니까?

토론 쇼 "의심의 각도"에서 문제는 입자 및 고에너지 물리학을 위한 과학 및 교육 센터 소장, BSU 교수, 독립 연구원, 철학자, "새로운 이론에 관한 이론"의 저자에 의해 논의됩니다. 우주의 기원과 물질을 이용한 극단적인 실험의 위험성."

토론의 전체 버전입니다.

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Nikolai Maksimovich, 충돌기의 출현으로 어떤 실험이 가능해졌습니까?
충돌체는 현미경입니다(이것은 거의 문자 그대로의 비유입니다). 눈에 보이지 않는 것들을 보기 위해서는 현미경이 필요합니다. 물질의 깊이에 있는 더 미세한 세부 사항을 조사하고 연구하려면 입자 가속기가 필요합니다. Large Hadron Collider가 건설되기 전에 물리학자들은 Tevatron의 도움으로 10-18m, 즉 10-16cm의 거리에 도달했습니다. 원자의 크기는 10-10m이며 원자 크기입니다. 원자핵은 10-15cm입니다. 즉, 물리학자들은 몇 배 더 깊은 물질을 조사했습니다. 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)를 사용하면 물질의 깊이까지 더 깊이 들어가 물질이 어떻게 구성되어 있는지, 그러한 거리와 시간 간격에서 어떤 새로운 입자가 생성되는지, 자연의 근본적인 상호 작용이 어떻게 작동하는지 알아낼 수 있습니다. 이 모든 것을 통해 우리는 몇 가지 새로운 현상을 볼 수 있습니다.

내가 아는 한, 충돌기를 이용한 실험은 단순히 자연을 있는 그대로 관찰하는 것이 아니다. 자연에서 발생하지 않거나 자연적으로 발생할 때 관찰하기 어려운 특정 프로세스가 시작됩니다. 결국 실험은 물질을 가지고 무언가를 만들어내는 것이지 단지 그것을 관찰하는 것이 아닙니다. 이 점을 명확히 해주실 수 있나요?
단 한 번의 실패도, 단 한 번의 모순된 사실도 없는 입증되고 일반적으로 받아들여지는 이론을 바탕으로 우리는 이러한 실험을 수행함으로써 어떤 정보를 얻게 될지 예측합니다. 물론 새로운 입자, 새로운 상호작용 속성이 있을 수도 있습니다. 하지만 근본적인 상호작용을 설명하는 상대성이론과 양자장론에 모순되는 실험은 단 하나도 없기 때문에 우리의 예측은 타당해야 한다.

그러나 동시에 여론은 처음부터 동요되었습니다. 일부 물리학자들은 충돌기의 작동을 완벽하게 제어하는 ​​것이 불가능하다고 말했습니다. 즉, 누구도 완전한 보안을 보장할 수 없습니다. 이것이 사실입니까?
나는 그런 물리학자를 모른다. 정보가 부족해서 이렇게 말하는군요.

이 질문을 가장 먼저 제기한 사람은 우주선을 연구하고 방사선 안전 서비스에 종사했던 미국 물리학자 로렌 와그너(Loren Wagner)였습니다. 우크라이나의 물리학자인 Ivan Gorelik, 화학 교수 Otto Ressler도 있었고 실험의 예측 불가능성에 대한 문제를 합리적으로 제기하는 많은 이름을 여전히 찾을 수 있습니다.

출시 전날 첫 번째 기자 회견이 열렸을 때 주최측은 과학 역사상 처음으로 원칙적으로 예측할 수 없는 실험이 수행되고 있다는 자부심을 표명했습니다. 그들은 자신들이 알지도 못했던 발견을 하고 오늘날 기초 물리학이 직면한 장벽을 극복하겠다고 말했습니다. 이론 물리학이 위기에 처해 있으며, 빅뱅 이론은 많은 질문에 대답하지 못하고 막다른 골목으로 이어지는 개념 중 하나입니다.

빅뱅 이론의 해결되지 않은 질문에 대해 말씀해 주실 수 있나요?
빅뱅이 일어나고 그것으로 우주가 시작되었다면, 빈 상태에서 이 폭발의 원인이 없음을 어떻게 얻을 수 있겠습니까? 폭발 자체는 알려진 물리학 법칙(물질 및 에너지 보존 법칙, 열역학 법칙과 같은 기본 법칙)과 모순됩니다. 이것이 바로 우주가 존재하게 된 방식입니다. 아무데도 없는, 텅 빈, 원인 없는 곳에서 말입니다.

이것은 비전문적으로 들리며 물리 이론이 설명하는 것과 우리가 현재 관찰하고 있는 것과 전혀 관련이 없습니다. 우리는 우주의 시작 모델, 그 단계 및 다음에 일어날 일을 완전히 알지 못합니다. 아마도 우주는 맥동하고 있고, 한 점으로 압축되었다가 풀리고 있을 것입니다. 그러나 무에서 무언가가 생겨나는 공허함이 있다는 것을 상상할 수는 없습니다.

물리학자들은 빅뱅이 발생한 이유를 모른다고 솔직하게 말하지만, 관찰 사실로 확인할 수 있는 경쟁 이론은 확실히 없습니다. 나는 우주 마이크로파 배경 복사, 허블의 법칙(은하의 팽창), 그리고 이제 우리 우주의 가속 팽창을 의미합니다. 우리는 우주 질량의 96%를 차지하는 암흑물질과 암흑에너지라는 개념에 도달했습니다. 빅뱅 이론은 가장 신뢰할 수 있는 모델이며, 그 정도의 관찰 타당성을 가지고 빅뱅 이론과 경쟁할 수 있는 다른 모델은 없다고 나는 알고 있습니다.

처음에 그녀는 무언가를 설명했지만, 그들이 그것을 알아내기 시작했을 때, 이 이론에서 나오는 것은 물질의 5%뿐이라는 것이 밝혀졌습니다. 그런 다음 완전히 입증되지 않은 새로운 실체, 즉 암흑 물질과 암흑 에너지가 도입되었습니다.

뉴턴의 제2법칙에 따르면 힘 없이는 가속이 불가능합니다. 힘은 에너지와 관련이 있는데, 이는 우주가 에너지로 인한 가속도를 통해 팽창할 수 있음을 의미합니다. 우리는 볼 수 있지만 아직 아무것도 알지 못하는 이 에너지를 가속도를 결정하는 데 사용할 수 있는 매개변수와 비교합니다. 그리고 우리는 그것이 우주 질량의 약 74%를 차지한다고 말합니다. 또 다른 22%는 암흑물질로 추정된다. 이들은 알려지지 않은 중성(전하가 없는) 입자입니다. 그 중 하나는 충돌체 실험의 결과로 발견될 힉스 보손(Higgs boson)일 수 있습니다.

빅뱅 이론이 설명하지 못하는 것을 설명하는 다른 이론이 있습니다. 그리고 그들은 암흑 물질의 형태로 증명할 수 없는 가정을 도입하지 않고 이를 수행합니다.

빅뱅 이론의 대안은 무엇입니까?
우주의 기원에 대해서는 두 가지 견해가 있다. 한 버전에 따르면 빅뱅의 결과로 가장 작은 지점에서 시작되었습니다. 노벨상 수상자조차도 이 이론에 대해 냉담한 평가를 내립니다. 다른 사람에 따르면, 우주의 물질은 폭발이 아니라 진공에서 생겨났다고 합니다. 이 이론은 추가적인 실체를 개입시키지 않고 모든 물리 법칙의 틀 내에서 모든 문제를 해결합니다.

사람들은 가설을 자유롭게 만들어내는 것이 그들의 본성입니다. 특히 최근 수십 년 동안 빅뱅 이론을 확증한 공로로 노벨 물리학상이 수여되었습니다. 물리학에서 가장 어려운 질문은 “왜?”입니다. 첫째, 물리학자들은 “무엇인가?”라는 질문에 대답합니다. 그리고 “어떻게?” 그리고 “왜?”라는 질문이 있습니다. 나중에 결정됩니다.

충돌기는 "왜"라는 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.
의심할 여지 없이. 전자와 양성자의 전하량은 왜 같은가? 이것은 자연의 신비입니다.

당신의 이론에 따르면 충돌기는 얼마나 위험합니까?
입자를 낳은 공허에서 세계가 출현했다고 가정하면 소멸의 과정을 유도할 수 있다.

이는 전혀 근거 없는 추측입니다.

적어도 이러한 추측을 확인할 수 있는 충돌기 작업의 예가 있었습니까? 통제할 수 없는 프로세스가 발생했나요?
당연히 아니지! 2008년에 CERN의 이사는 자신의 직위를 그만두고 충돌체가 자신의 지휘 하에 시작되기를 원했습니다. 따라서 모든 사람이 조금 성급했고 액체 헬륨이 포함 된 탱크에 전선을 연결하는 기본적인 사항을 확인하지 않았습니다. 전압을 높이고 전력을 늘리기 시작하면 전류가 증가하고 접점 하나가 녹았습니다. 용융 금속 방울이 액체 헬륨 탱크에 구멍을 뚫고 자연스럽게 폭발했습니다. 그게 일어난 전부입니다. 1년 반 후에 모든 것이 깨끗이 청소되었고 완전한 안전이 보장되었습니다. 이 기계는 이제 모든 원자력 발전소와 우주선보다 더 안정적입니다.

이로 인해 프로세스가 통제할 수 없는 방향으로 진행되지 않았습니까?
액체헬륨을 담은 탱크가 폭발했고 충격파는 320m에 이르렀으며 댐퍼가 자동으로 확장되고 보호 시스템이 작동됐다.

충돌기의 위험은 기술적인 실패가 아니라 현상의 예측 불가능성에 있습니다. 열핵폭탄이 폭발할 때보다 훨씬 더 높은 크기의 물질 입자에 영향을 미치는 실험 시설이 처음으로 완료되었습니다! 행성의 물질을 소멸시키는 과정을 생성하는 것이 가능합니다. Nikolai Maksimovich는 충돌체가 원자력 발전소보다 더 안정적이라고 말했습니다. 그러나 후쿠시마 사고의 원인은 인적 요인이었습니다. 쓰나미 가능성을 고려해야 했습니다.

물질의 소멸에 관한 실험이 있었습니까? 이 프로세스가 소규모로 통제된 규모로 수행되었습니까?
미국의 Tevatron 가속기는 양성자와 반양성자의 가속기이다. 입자이면서 반입자이기 때문에 충돌하고 소멸됩니다.

그러나 동시에 주변 문제에는 변화가 없습니다. 연쇄 반응입니까?
아니요, 이것은 소립자의 충돌에 의한 일반적인 핵반응입니다.

CERN은 최근 Peter Higgs가 1964년에 예측했던 Higgs boson과 유사한 입자를 발견했다고 발표했습니다. 이 발견이 현대 물리 이론의 상태에 어떤 영향을 미칠 수 있습니까? 이 입자로 작업하는 것이 위험할 수 있나요?
마지막 질문에는 바로 대답하겠습니다. 물론 아닙니다. 이것은 질량이 어디서 왔는지 모르기 때문에 중요합니다. 입자의 근본적인 상호작용을 설명하는 이론의 기초는 대칭의 원리입니다. 처음에는 입자가 질량이 없는 것처럼 보이지만 실제로는 거대합니다. 따라서 동일하고 질량이 없는 입자의 자발적인 대칭 파괴 이론이 발명되었습니다. 과학자들은 추가적인 스칼라 장과 이 장의 양자인 힉스 입자에 의해 질량이 출현했다고 비난했습니다.

이 장은 우주 전체에 퍼져 있다고 가정됩니다. 처음에는 질량이 없는 입자로 이를 극복하면 질량이 생깁니다. 힉스 장을 극복할수록 입자의 질량이 커집니다. 질량 자체의 기원은 여전히 ​​설명할 수 없습니다. 힉스 보손 자체에서 질량이 어디서 나오는지 이해하는 것은 여전히 ​​어렵습니다. 보존의 발견은 우주 만물의 주요 특징인 질량의 기원을 설명하는 매우 중요한 사실이다.

150년 전, 오스트리아의 유명한 물리학자이자 철학자인 에른스트 마흐(Ernst Mach)는 보존과 충돌기를 이용한 CERN보다 질량 효과를 더 명확하게 설명했습니다. "각 입자에는 일종의 필드가 있습니다. 입자 집합은 일종의 필드를 갖는 몸체를 형성합니다. 별, 은하를 방출하는 몸체 집합에는 자체 전자기장, 에너지, 중력장이 있으며, 이는 우주의 전체 필드를 형성합니다. . 그 안에서는 자신의 장을 갖고 있는 모든 입자가 우주의 물질과 상호작용하고 속도가 느려지고 가속됩니다."

단일 공식이나 수학적 설명이 없는 아름다운 단어입니다.

우주의 모든 것의 질량을 담당하는 입자가 있다고 말하는 것이 더 웃기지 않나요?

존재하는 모든 것의 중심에는 몇 개의 입자가 있습니다. 사실 우리를 둘러싸고 있는 것은 두 개의 쿼크, 즉 전자, 전자, 이온 중성미자입니다. 보존은 명명된 입자가 상호 작용하도록 합니다. 다른 모든 입자는 실험, 입자 충돌, 우주선 충돌을 통해 탄생합니다. 이렇게 세상의 단순한 구조를 설명하는 이론이 바로 기본 상호작용의 게이지 이론이다. 그러나 모든 입자가 질량이 없다는 점에서 이 아름다움에 대한 대가를 지불해야 합니다. 수학적으로 타당하고 물리적으로 뒷받침되는 유일한 설명은 자발적인 게이지 대칭 파괴 메커니즘으로, 이로 인해 힉스 보존이 탄생하게 됩니다.

"필드"라는 단어는 현대 물리학에 적합하지 않습니까?
모든 입자는 입자의 상호 작용이 설명되는 필드에 해당합니다.

입증되지 않은 가정에 의해 도입된 새로운 엔터티를 언급하고 있습니다. 쿼크는 입증되지 않은 아이디어이며 순수한 수학적 추상화를 기반으로 합니다. 분수 전하를 허용하면 양성자와 중성자가 합산됩니다.

이것은 반박할 수 없는 수많은 사실에 의해 실험적으로 입증되었습니다. 쿼크에 의한 효과는 다른 어떤 것으로도 설명할 수 없습니다. 우리는 자유 쿼크를 등록할 수 없으며 그 흔적, 즉 2차 입자 제트만 볼 수 있습니다. 사람들은 이것을 받아들일 수 없지만 이것이 현실입니다. 아인슈타인은 신은 주사위 놀이를 하지 않는다는 이유로 양자역학을 거부한 적이 있습니다. 그러나 이 때문에 양자역학을 취소한 사람은 아무도 없었고 모두가 그것이 명확하지 않다는 것을 깨달았습니다. 입자도 파동이라고 누가 상상할 수 있습니까? 이러한 프로세스는 결코 눈에 띄지 않지만 이것이 존재하지 않는다는 의미는 아닙니다.

그러나 그것이 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 이는 입증되지 않은 가정입니다.

마하의 입장은 어떤 식으로든 입증되었나요?
모든 사람은 마음을 가지고 있으며 자신의 결론을 분석하고 도출할 수 있습니다.

여기서도 같은 일이 이루어집니다. 어떤 이유에서든 힉스 보존은 신의 입자라고 불립니다. 왜 그럴까요?
다른 의견이 있습니다. 노벨상 수상자 레온 레더만(Leon Lederman)은 힉스 보존이 신의 입자라고 말했습니다. 그러나 번역이 부정확한 것으로 판명되었습니다. 보존은 다른 입자와 매우 약하게 상호 작용한다는 점에서 다른 모든 입자와 다르기 때문에 비 유적으로 신의 입자라고 부를 수 있는 것 같습니다. 기록적인 높은 에너지와 빔 밀도 덕분에 힉스 보존과 관련된 이벤트는 8개만 감지되었습니다. 통계는 아직 작지만 실험은 계속될 것이며 수백, 수천 건의 사건이 발생할 것입니다. 이것은 존재하는 모든 것의 질량을 제공하는 극히 드문 현상이므로 비유적으로는 신의 입자라고 할 수 있습니다.

실험자들의 즉각적인 계획은 무엇입니까? 전력이 증가할 것인가, 아니면 이미 발견된 입자를 더 자세히 연구할 것인가?
이것은 시작에 불과합니다. 이 입자의 특성은 아직 확립되지 않았습니다. 우리는 이를 확립해야 합니다. 이것이 표준 모델인 힉스 보손입니까, 아니면 다른 것입니까? 그들은 표준 모델을 넘어서는 새로운 현상에 대해 이야기할 것입니다. 충돌기는 2013년 3월에 종료될 예정이며, 1년 8개월 내에 업그레이드될 예정이다. 충돌기는 중앙계에서 14TeV의 에너지를 갖고, 광도는 1034로 증가해 나올 예정이다. 이후 충돌기는 2018년 1년 반 동안 정지하고 광도는 2배로 늘어날 예정이다. 그때까지 엔지니어가 일부 문제를 해결하면 5배가 될 것입니다. 표준 모델을 보다 정확하게 만들기 위해 통계를 수집하고, 새로운 것을 검색하고, 이미 알려진 현상, 다양한 매개변수를 명확히 할 계획입니다. 가속기 운영 및 설치는 2030년까지 계획되어 있다.