Astăzi este începutul unei revoluții în știința mondială. CERN va include cel mai mare, cel mai scump și mai puternic complex de echipamente științifice din lume - Large Hadron Collider. Emoția asociată cu lansarea sa a cuprins întreaga planetă - inclusiv oameni departe de știință. Mulți intră în panică, susținând că lansarea unei instalații care ar folosi de șapte ori energia celor mai puternice acceleratoare ar putea crea o gaură neagră sau produce antimaterie care ar putea distruge complet Pământul.

Unii astfel de „entuziaști” chiar au depus o plângere la Curtea Europeană a Drepturilor Omului. Aceștia susțin că „în pregătirea pentru lansarea acceleratorului, nu au fost respectate procedurile standard prevăzute, în special, pentru punerea în funcțiune a centralelor nucleare”. Cu toate acestea, omenirea are o vastă experiență în construirea acceleratoarelor. În ciuda faptului că lansarea fiecăruia dintre ele a fost asociată cu isteria în masă, niciun astfel de dispozitiv nu a dus la distrugeri sau victime.

Trebuie spus că oamenii de știință de la CERN nu neagă că se pot forma găuri negre ca urmare a muncii ciocnitorului. Numai cele foarte mici - cântărind mai puțin de o miliardime dintr-un gram. În plus, ei „trăiesc” doar pentru cele mai mici fracțiuni de secundă. Prin urmare, experimentele cu găurile negre nu prezintă niciun pericol pentru angajații CERN, Geneva și cu atât mai mult pentru Pământ.

Dacă vorbim despre LHC, atunci în primele zile după lansare nu este pornit la capacitate maximă. Primele fascicule de protoni vor trece prin el la putere foarte mică. Acceleratorul va începe să funcționeze la capacitate maximă doar dacă totul merge bine. În plus, cu mult înainte ca ciocnitorul - ca orice alt accelerator - să înceapă să fie construit, oamenii de știință, firește, se îngrijorează în primul rând de fiabilitatea și siguranța acestuia. Astfel, toate posibilele amenințări la care ar putea duce activitatea LHC au fost analizate și prevenite cu mulți ani în urmă de o comisie internațională specială. Apropo, ele sunt mult mai puțin eficiente decât amenințarea de a transforma Pământul într-un obiect spațial format din antimaterie sau o gaură neagră.

Cu toate acestea, nimeni nu argumentează că, după ce colisionarul începe să funcționeze cu o energie fără precedent de 14 TeV, lumea nu va mai fi niciodată la fel. De exemplu, o explozie de informații pe internet este absolut inevitabilă. Pentru că în fiecare secundă o cantitate incredibilă de date va fi primită de la colisionator și, datorită software-ului revoluționar „middleware” și sistemului Grid, acestea vor fi disponibile pentru fiecare fizician. Chiar înainte de încheierea anului curent, LHC va începe să livreze un volum de informații egal cu un DVD (5 gigaocteți) la fiecare cinci secunde. Iar rezultatul anual al activităților sale - 15 petabytes (15 milioane gigabytes) - va depăși orice alt experiment din istoria științei în ceea ce privește cantitatea de date obținute. În acest sens, ciocnitorul va deveni o sursă inepuizabilă de noi cunoștințe care, asemenea unui tsunami, se va revărsa în World Wide Web. Totuși, acest lucru, ca și munca ciocnitorului în sine, nu este periculos nici pentru oameni, nici pentru computere.

Lansarea ciocnitorului va pune, de asemenea, în pericol opiniile moderne ale fizicienilor. Va exista un test experimental final și decisiv al Modelului Standard - un set de teorii fizice care explică „comportamentul” particulelor elementare. Dacă oamenii de știință nu găsesc încă elementul său ipotetic, dar important - bosonii Higgs - Modelul Standard va trebui revizuit. Dar restructurarea (ca și confirmarea) teoriilor fizice acceptate în vremea noastră este puțin probabil să devină o tragedie pentru cineva. Oamenii de știință nu se tem niciodată să-și piardă credința, deoarece stau mereu în calea îndoielii.

Revoluția va avea loc ca urmare a divizării protonilor în interiorul unui inel de 27 de kilometri situat la o adâncime de 100 de metri. Studiind resturile nucleare, oamenii de știință intenționează nu numai să confirme sau să infirme existența bosonilor Higgs, ci și să descopere misterul antimateriei și al „materiei întunecate” - particule nedescoperite încă care alcătuiesc cea mai mare parte a masei Universului. În plus, ciocnitorul va face posibilă studierea în detaliu a plasmei cuarc-gluoni - adică starea materiei în care se afla în primele momente ale Big Bang-ului.

Și, în sfârșit, este probabil de remarcat faptul că LHC a fost creat ca parte a unui proiect internațional la care țara noastră a luat parte activ. La proiect au participat peste 50 de institute și întreprinderi științifice din Federația Rusă. Printre acestea se numără centre științifice renumite precum Centrul Național de Cercetare „Institutul Kurchatov”, Institutul de Fizică Nucleară din Novosibirsk, numit după G.I Budker, Institutul de Fizică a Energiei Înalte, Institutul de Fizică Teoretică și Experimentală, Universitatea de Stat din Moscova, MEPhI, Rusia. centre nucleare din Sarov și Snezhinsk. Multe părți ale echipamentelor unice au fost create la întreprinderile noastre, inclusiv NPO Luch din Podolsk, Myasishchev Design Bureau, NIKIET, care, conform deciziei juriului CERN, au primit medalii de aur ca cei mai buni producători. Nici participanții străini la proiect - cele mai bune centre și întreprinderi științifice din Europa și Asia - după cum știm, nu au dezamăgit nici. Astfel, prin eforturi comune, un dispozitiv nemaivăzut nu este doar bine gândit, ci și bine executat. Acest lucru demonstrează încă o dată că nu se pot aștepta accidente de la el.

Expresia „Large Hadron Collider” a devenit atât de adânc înrădăcinată în mass-media, încât un număr covârșitor de oameni știu despre această instalație, inclusiv cei ale căror activități nu sunt în niciun fel legate de fizica particulelor elementare sau de știința în general.

Într-adevăr, un proiect atât de mare și de costisitor nu putea fi ignorat de mass-media - o instalație inelară de aproape 27 de kilometri lungime, care costă zeci de miliarde de dolari, cu care lucrează câteva mii de oameni de știință din întreaga lume. O contribuție semnificativă la popularitatea ciocnitorului a avut-o așa-numita „particulă de Dumnezeu” sau bosonul Higgs, care a fost promovat cu succes și pentru care Peter Higgs a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 2013.

În primul rând, trebuie menționat că Large Hadron Collider nu a fost construit de la zero, ci a apărut pe locul predecesorului său, Large Electron-Positron Collider (LEP). Lucrările la tunelul de 27 de kilometri au început în 1983, unde s-a planificat ulterior localizarea unui accelerator care să ciocnească electroni și pozitroni. În 1988, tunelul inel s-a închis, iar muncitorii s-au apropiat de tunel atât de atent încât discrepanța dintre cele două capete ale tunelului a fost de doar 1 centimetru.

Acceleratorul a funcționat până la sfârșitul anului 2000, când a atins energia maximă de 209 GeV. După aceasta, a început dezmembrarea acestuia. Pe parcursul celor unsprezece ani de funcționare, LEP a adus o serie de descoperiri în fizică, inclusiv descoperirea bosonilor W și Z și cercetările ulterioare ale acestora. Pe baza rezultatelor acestor studii, s-a ajuns la concluzia că mecanismele interacțiunilor electromagnetice și slabe sunt similare, drept urmare a început munca teoretică privind combinarea acestor interacțiuni în electroslab.

În 2001, pe locul acceleratorului electroni-pozitroni a început construcția Marelui Colisionator de Hadroni. Construcția noului accelerator a fost finalizată la sfârșitul anului 2007. Acesta a fost situat la locul LEP - la granița dintre Franța și Elveția, în valea Lacului Geneva (la 15 km de Geneva), la o adâncime de o sută de metri. În august 2008, au început testele coliziunii, iar pe 10 septembrie a avut loc lansarea oficială a LHC. Ca și în cazul acceleratorului anterior, construcția și exploatarea instalației este condusă de Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară - CERN.

CERN

Merită menționat pe scurt despre organizația CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Această organizație acționează ca cel mai mare laborator din lume în domeniul fizicii energiilor înalte. Include trei mii de angajați permanenți și alte câteva mii de cercetători și oameni de știință din 80 de țări participă la proiectele CERN.

În acest moment, sunt 22 de țări care participă la proiect: Belgia, Danemarca, Franța, Germania, Grecia, Italia, Țările de Jos, Norvegia, Suedia, Elveția, Marea Britanie - fondatori, Austria, Spania, Portugalia, Finlanda, Polonia, Ungaria , Cehia, Slovacia, Bulgaria și România – au aderat. Cu toate acestea, așa cum am menționat mai sus, alte câteva zeci de țări participă la activitatea organizației într-un fel sau altul, și în special la Large Hadron Collider.

Cum funcționează Large Hadron Collider?

Ce este Large Hadron Collider și cum funcționează sunt principalele întrebări de interes public. Să ne uităm mai departe la aceste întrebări.

Collider – tradus din engleză înseamnă „cel care se ciocnește”. Scopul unei astfel de configurații este de a ciocni particulele. În cazul ciocnitorului de hadron, particulele sunt jucate de hadroni - particule care participă la interacțiuni puternice. Aceștia sunt protoni.

Obținerea de protoni

Călătoria lungă a protonilor își are originea în duoplasmatron - prima etapă a acceleratorului, care primește hidrogen sub formă de gaz. Un duoplasmatron este o cameră de descărcare în care o descărcare electrică este condusă printr-un gaz. Deci hidrogenul, format dintr-un singur electron și un proton, își pierde electronul. În acest fel, se formează plasma - o substanță formată din particule încărcate - protoni. Desigur, este dificil să se obțină plasmă de protoni pură, astfel încât plasma rezultată, care include și un nor de ioni moleculari și electroni, este filtrată pentru a izola norul de protoni. Sub influența magneților, plasma de protoni este aruncată într-un fascicul.

Accelerația preliminară a particulelor

Fasciculul de protoni nou format își începe călătoria în acceleratorul liniar LINAC 2, care este un inel de 30 de metri suspendat secvențial cu mai mulți electrozi cilindrici goli (conductori). Câmpul electrostatic creat în interiorul acceleratorului este gradat în așa fel încât particulele dintre cilindrii goali experimentează întotdeauna o forță de accelerare în direcția următorului electrod. Fără să ne adâncim în întregime în mecanismul de accelerare a protonilor în această etapă, observăm doar că la ieșirea de la LINAC 2, fizicienii primesc un fascicul de protoni cu o energie de 50 MeV, care ajunge deja la 31% din viteza luminii. Este de remarcat faptul că în acest caz masa particulelor crește cu 5%.

Până în 2019-2020, este planificată înlocuirea LINAC 2 cu LINAC 4, care va accelera protonii la 160 MeV.

Este de remarcat faptul că ciocnitorul accelerează și ionii de plumb, ceea ce va face posibilă studierea plasmei cuarc-gluon. Ele sunt accelerate în inelul LINAC 3, similar cu LINAC 2. În viitor sunt planificate și experimente cu argon și xenon.

Apoi, pachetele de protoni intră în amplificatorul sincron de protoni (PSB). Este format din patru inele suprapuse cu un diametru de 50 de metri, în care sunt amplasate rezonatoare electromagnetice. Câmpul electromagnetic pe care îl creează are o intensitate mare, iar o particulă care trece prin el primește accelerație ca urmare a diferenței de potențial de câmp. Deci, după doar 1,2 secunde, particulele sunt accelerate în PSB la 91% din viteza luminii și ating o energie de 1,4 GeV, după care intră în sincrotronul cu protoni (PS). PS are un diametru de 628 de metri și este echipat cu 27 de magneți care direcționează fasciculul de particule pe o orbită circulară. Aici protonii particulelor ajung la 26 GeV.

Penultimul inel pentru accelerarea protonilor este Super Proton Synchrotron (SPS), a cărui circumferință ajunge la 7 kilometri. Echipat cu 1317 magneți, SPS accelerează particulele la o energie de 450 GeV. După aproximativ 20 de minute, fasciculul de protoni intră în inelul principal - Large Hadron Collider (LHC).

Accelerația și ciocnirea particulelor în LHC

Tranzițiile între inelele de accelerație au loc prin câmpuri electromagnetice create de magneți puternici. Inelul principal al ciocnitorului este format din două linii paralele în care particulele se mișcă pe o orbită circulară în direcția opusă. Aproximativ 10.000 de magneți sunt responsabili pentru menținerea traiectoriei circulare a particulelor și direcționarea acestora către punctele de coliziune, unii dintre ei cântărind până la 27 de tone. Pentru a evita supraîncălzirea magneților, se folosește un circuit de heliu-4, prin care circulă aproximativ 96 de tone de substanță la o temperatură de -271,25 ° C (1,9 K). Protonii ating o energie de 6,5 TeV (adică energia de coliziune este de 13 TeV), în timp ce viteza lor este cu 11 km/h mai mică decât viteza luminii. Astfel, într-o secundă, un fascicul de protoni trece prin inelul mare al ciocnitorului de 11.000 de ori. Înainte ca particulele să se ciocnească, ele vor circula în jurul inelului timp de 5 până la 24 de ore.

Ciocnirile de particule au loc în patru puncte din inelul principal LHC, unde sunt amplasate patru detectoare: ATLAS, CMS, ALICE și LHCb.

Detectoare mari de coliziune de hadroni

ATLAS (un aparat toroidal LHC)

— este unul dintre cele două detectoare de uz general de la Large Hadron Collider (LHC). El explorează o gamă largă de fizică, de la căutarea bosonului Higgs la particulele care pot alcătui materia întunecată. Deși are aceleași obiective științifice ca și experimentul CMS, ATLAS utilizează soluții tehnice diferite și un design diferit de sistem magnetic.

Fascicule de particule de la LHC se ciocnesc în centrul detectorului ATLAS, creând resturi care se apropie sub formă de noi particule care zboară din punctul de coliziune în toate direcțiile. Șase subsisteme diferite de detectare, aranjate în straturi în jurul punctului de impact, înregistrează traseul, impulsul și energia particulelor, permițându-le identificarea individuală. Un sistem imens de magneți îndoaie calea particulelor încărcate, astfel încât impulsurile acestora să poată fi măsurate.

Interacțiunile din detectorul ATLAS creează un flux imens de date. Pentru a procesa aceste date, ATLAS folosește un sistem avansat de „declanșare” pentru a spune detectorului ce evenimente să înregistreze și pe care să le ignore. Sistemele sofisticate de achiziție și calcul de date sunt apoi utilizate pentru a analiza evenimentele de coliziune înregistrate.

Detectorul are 46 de metri înălțime și 25 de metri lățime, în timp ce masa lui este de 7.000 de tone. Acești parametri fac din ATLAS cel mai mare detector de particule construit vreodată. Este situată într-un tunel la o adâncime de 100 m în apropierea locului principal al CERN, lângă satul Meyrin din Elveția. Instalația constă din 4 componente principale:

• Detectorul interior are o formă cilindrică, inelul interior este situat la doar câțiva centimetri de axa fasciculului de particule care trece, iar inelul exterior are un diametru de 2,1 metri și o lungime de 6,2 metri. Este format din trei sisteme de senzori diferite scufundate într-un câmp magnetic. Un detector intern măsoară direcția, impulsul și sarcina particulelor încărcate electric produse în fiecare coliziune proton-proton. Elementele principale ale detectorului intern sunt: ​​un detector de pixeli, un urmăritor semiconductor (SCT) și un urmăritor de radiații de tranziție (TRT).

• Calorimetrele măsoară energia pe care o pierde o particulă când trece printr-un detector. Absoarbe particulele apărute în timpul unei coliziuni, înregistrându-le astfel energia. Calorimetrele constau din straturi de material „absorbant” de înaltă densitate – plumb – alternând cu straturi de „mediu activ” – argon lichid. Calorimetrele electromagnetice măsoară energia electronilor și fotonilor în timp ce aceștia interacționează cu materia. Calorimetrele cu hadron măsoară energia hadronilor atunci când interacționează cu nucleele atomice. Calorimetrele pot opri majoritatea particulelor cunoscute, cu excepția muonilor și neutrinilor.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - calorimetru ATLAS

• Spectrometrul de muoni - constă din 4000 de camere individuale de muoni care utilizează patru tehnologii diferite pentru a identifica muonii și a măsura momentele lor. Muonii trec de obicei printr-un detector intern și un calorimetru, necesitând un spectrometru cu muoni.

• Sistemul magnetic al ATLAS îndoaie particulele în jurul diferitelor straturi ale sistemelor de detectoare, facilitând urmărirea urmelor de particule.

Experimentul ATLAS (februarie 2012) implică peste 3.000 de oameni de știință din 174 de instituții din 38 de țări.

CMS (solenoid muon compact)

— este un detector de uz general la Large Hadron Collider (LHC). La fel ca ATLAS, are un program larg de fizică, de la studierea modelului standard (inclusiv bosonul Higgs) până la căutarea particulelor care pot alcătui materia întunecată. Deși are aceleași obiective științifice ca și experimentul ATLAS, CMS utilizează soluții tehnice diferite și un design diferit de sistem magnetic.

Detectorul CMS este construit în jurul unui magnet solenoid imens. Este o bobină cilindrică de cablu supraconductor care generează un câmp de 4 Tesla, de aproximativ 100.000 de ori câmpul magnetic al Pământului. Câmpul este limitat de un „jug” din oțel, care este cea mai masivă componentă a detectorului, cântărind 14.000 de tone. Detectorul complet are 21 m lungime, 15 m lățime și 15 m înălțime. Instalația constă din 4 componente principale:

• Magnetul solenoid este cel mai mare magnet din lume și servește la curbarea traiectoriei particulelor încărcate emise din punctul de impact. Distorsiunea traiectoriei face posibilă distingerea între particulele încărcate pozitiv și negativ (deoarece se îndoaie în direcții opuse), precum și măsurarea impulsului, a cărui magnitudine depinde de curbura traiectoriei. Dimensiunea uriașă a solenoidului permite ca trackerul și calorimetrele să fie amplasate în interiorul bobinei.
• Silicon Tracker - Constă din 75 de milioane de senzori electronici individuali aranjați în straturi concentrice. Când o particulă încărcată zboară prin straturile trackerului, ea transferă o parte din energie către fiecare strat, combinând aceste puncte de coliziune ale particulei cu diferite straturi, ne permite să-i determinăm în continuare traiectoria.
• Calorimetre – electroni și hadronici, vezi calorimetre ATLAS.
• Subdetectoare - vă permit să detectați muonii. Ele sunt reprezentate de 1.400 de camere de muoni, care sunt situate în straturi în afara bobinei, alternând cu plăci metalice ale „jugului”.

Experimentul CMS este unul dintre cele mai mari studii științifice internaționale din istorie, implicând 4.300 de persoane: fizicieni particulelor, ingineri și tehnicieni, studenți și personal de sprijin din 182 de instituții, 42 de țări (februarie 2014).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— este un detector de ioni grei pe inelele Large Hadron Collider (LHC). Este conceput pentru a studia fizica materiei care interacționează puternic la densități energetice extreme, unde se formează o fază a materiei numită plasmă cuarc-gluon.

Toată materia obișnuită din universul de astăzi este formată din atomi. Fiecare atom conține un nucleu de protoni și neutroni (cu excepția hidrogenului, care nu are neutroni), înconjurat de un nor de electroni. La rândul lor, protonii și neutronii sunt formați din quarci legați împreună cu alte particule numite gluoni. Niciun quarc nu a fost niciodată observat izolat: quarcii, precum și gluonii, par a fi legați în permanență împreună și confinați în particulele constitutive, cum ar fi protonii și neutronii. Aceasta se numește izolare.

Coliziunile în LHC creează temperaturi de peste 100.000 de ori mai calde decât în ​​centrul Soarelui. Ciocnitorul permite coliziuni între ionii de plumb, recreând condiții similare cu cele care au avut loc imediat după Big Bang. În aceste condiții extreme, protonii și neutronii „se topesc”, eliberând quarcii de legăturile lor cu gluonii. Aceasta este plasmă de quarc-gluoni.

Experimentul ALICE folosește detectorul ALICE, care cântărește 10.000 de tone, are 26 m lungime, 16 m înălțime și 16 m lățime. Dispozitivul constă din trei seturi principale de componente: dispozitive de urmărire, calorimetre și detectoare de identificare a particulelor. De asemenea, este împărțit în 18 module. Detectorul este situat într-un tunel la o adâncime de 56 m mai jos, lângă satul Saint-Denis-Pouilly din Franța.

Experimentul include peste 1.000 de oameni de știință de la peste 100 de institute de fizică din 30 de țări.

LHCb (Experimentul de frumusețe al lui Large Hadron Collider)

– Experimentul explorează mici diferențe între materie și antimaterie, studiind un tip de particule numite cuarc de frumusețe sau cuarc b.

În loc să înconjoare întregul punct de coliziune cu un detector închis, cum ar fi ATLAS și CMS, experimentul LHCb folosește o serie de subdetectori pentru a detecta predominant particulele înainte - cele care au fost îndreptate înainte de o coliziune într-o direcție. Primul subdetector este instalat aproape de punctul de coliziune, iar ceilalți sunt instalați unul după altul la o distanță de 20 de metri.

LHC creează o mare abundență de diferite tipuri de quarci înainte ca aceștia să se degradeze rapid în alte forme. Pentru a captura cuarcii b, au fost dezvoltate detectoare complexe de urmărire a mișcării pentru LHCb, situate aproape de mișcarea fasciculului de particule prin civizor.

Detectorul LHCb de 5.600 de tone este format dintr-un spectrometru direct și detectoare plate. Are 21 de metri lungime, 10 metri înălțime și 13 metri lățime și este situat la 100 de metri sub pământ. Aproximativ 700 de oameni de știință de la 66 de institute și universități diferite sunt implicați în experimentul LHCb (octombrie 2013).

Alte experimente la coliziune

Pe lângă experimentele de mai sus la Large Hadron Collider, există alte două experimente cu instalații:

• LHCf (Large Hadron Collider înainte)— studiază particulele aruncate înainte după ciocnirea fasciculelor de particule. Ele simulează razele cosmice, pe care oamenii de știință le studiază ca parte a experimentului. Razele cosmice sunt particule încărcate care apar în mod natural din spațiul cosmic care bombardează în mod constant atmosfera pământului. Ele se ciocnesc cu nucleele din atmosfera superioară, provocând o cascadă de particule care ajung la nivelul solului. Studierea modului în care coliziunile din interiorul LHC produc astfel de cascade de particule îi va ajuta pe fizicieni să interpreteze și să calibreze experimente cu raze cosmice la scară largă, care se pot întinde pe mii de kilometri.

LHCf constă din doi detectoare care sunt amplasate de-a lungul LHC, la 140 de metri distanță de fiecare parte a punctului de impact ATLAS. Fiecare dintre cele două detectoare cântărește doar 40 de kilograme și măsoară 30 cm lungime, 80 cm înălțime și 10 cm lățime. Experimentul LHCf implică 30 de oameni de știință din 9 institute din 5 țări (noiembrie 2012).

• TOTEM (secțiune transversală totală, împrăștiere elastică și disociere prin difracție)- un experiment cu cea mai lungă instalare pe colider. Misiunea sa este de a studia protonii înșiși, măsurând cu precizie protonii produși în coliziuni cu unghi mic. Această regiune este cunoscută ca direcția „înainte” și nu este accesibilă altor experimente LHC. Detectoarele TOTEM se extind pe aproape o jumătate de kilometru în jurul punctului de interacțiune CMS. TOTEM are aproape 3.000 kg de echipamente, inclusiv patru telescoape nucleare, precum și 26 de detectoare de oală romană. Ultimul tip permite detectorilor să fie poziționați cât mai aproape de fasciculul de particule. Experimentul TOTEM include aproximativ 100 de oameni de știință din 16 institute din 8 țări (august 2014).

De ce este nevoie de Large Hadron Collider?

Cea mai mare instalație științifică internațională explorează o gamă largă de probleme fizice:

• Studiul quarcilor de top. Această particulă nu este doar cel mai greu quarc, ci și cea mai grea particulă elementară. Studierea proprietăților cuarcului superior are, de asemenea, sens, deoarece este un instrument de cercetare.
• Căutarea și studiul bosonului Higgs. Deși CERN susține că bosonul Higgs a fost deja descoperit (în 2012), se cunosc foarte puține lucruri despre natura sa și cercetările ulterioare ar putea aduce mai multă claritate mecanismului de funcționare a acestuia.

• Studiul plasmei cuarc-gluon. Când nucleele de plumb se ciocnesc la viteze mari, se formează . Cercetările ei pot aduce rezultate utile atât pentru fizica nucleară (îmbunătățirea teoriei interacțiunilor puternice), cât și pentru astrofizică (studiind Universul în primele sale momente de existență).
• Caută supersimetrie. Această cercetare își propune să infirme sau să demonstreze „supersimetria”, teoria conform căreia fiecare particulă elementară are un partener mai greu numit „superparticulă”.
• Studiul ciocnirilor foton-foton și foton-hadron. Va îmbunătăți înțelegerea mecanismelor proceselor de astfel de coliziuni.
• Testarea teoriilor exotice. Această categorie de sarcini le include pe cele mai neconvenționale - „exotice”, de exemplu, căutarea universurilor paralele prin crearea de mini-găuri negre.

Pe lângă aceste sarcini, există multe altele, a căror soluție va permite și omenirii să înțeleagă natura și lumea din jurul nostru la un nivel mai bun, ceea ce, la rândul său, va deschide oportunități pentru crearea de noi tehnologii.

Beneficiile practice ale marelui colizător de hadroni și știința fundamentală

În primul rând, trebuie remarcat faptul că cercetarea fundamentală contribuie la știința de bază. Știința aplicată se ocupă de aplicarea acestor cunoștințe. Un segment al societății care nu este conștient de beneficiile științei fundamentale nu percepe adesea descoperirea bosonului Higgs sau crearea plasmei de quarc-gluoni ca fiind ceva semnificativ. Legătura dintre astfel de studii cu viața unei persoane obișnuite nu este evidentă. Să ne uităm la un exemplu scurt cu energia nucleară:

În 1896, fizicianul francez Antoine Henri Becquerel a descoperit fenomenul radioactivității. Multă vreme s-a crezut că omenirea nu va trece curând la utilizarea sa industrială. Cu doar cinci ani înainte de lansarea primului reactor nuclear din istorie, marele fizician Ernest Rutherford, care de fapt a descoperit nucleul atomic în 1911, spunea că energia atomică nu își va găsi niciodată aplicația. Experții au reușit să-și regândească atitudinea față de energia conținută în nucleul unui atom în 1939, când oamenii de știință germani Lise Meitner și Otto Hahn au descoperit că nucleele de uraniu, atunci când sunt iradiate cu neutroni, se împart în două părți, eliberând o cantitate imensă de energie - nucleară. energie.

Și numai după această ultimă verigă dintr-o serie de cercetări fundamentale a intrat în joc știința aplicată, care, pe baza acestor descoperiri, a inventat un dispozitiv pentru producerea energiei nucleare - un reactor atomic. Amploarea descoperirii poate fi evaluată analizând ponderea energiei electrice generate de reactoarele nucleare. Deci, în Ucraina, de exemplu, centralele nucleare reprezintă 56% din producția de energie electrică, iar în Franța – 76%.

Toate noile tehnologii se bazează pe anumite cunoștințe fundamentale. Iată încă câteva exemple scurte:

• În 1895, Wilhelm Conrad Roentgen a observat că atunci când este expusă la raze X, o placă fotografică se întunecă. Astăzi, radiografia este una dintre cele mai utilizate examinări în medicină, permițând studierea stării organelor interne și detectarea infecțiilor și umflăturilor.
• În 1915, Albert Einstein și-a propus propriul său. Astăzi, această teorie este luată în considerare la operarea sateliților GPS, care determină locația unui obiect cu o precizie de câțiva metri. GPS-ul este folosit în comunicațiile celulare, cartografie, monitorizarea transporturilor, dar în primul rând în navigație. Eroarea unui satelit care nu ține cont de relativitatea generală ar crește cu 10 kilometri pe zi din momentul lansării! Și dacă un pieton își poate folosi mintea și o hartă de hârtie, atunci piloții de linii aeriene se vor afla într-o situație dificilă, deoarece este imposibil să navighezi prin nori.

Dacă astăzi nu s-a găsit încă o aplicație practică pentru descoperirile făcute la LHC, asta nu înseamnă că oamenii de știință „chic în zadar la coliziune”. După cum știți, o persoană rezonabilă intenționează întotdeauna să obțină aplicarea practică maximă din cunoștințele existente și, prin urmare, cunoștințele despre natură acumulate în procesul de cercetare la LHC își vor găsi cu siguranță aplicarea, mai devreme sau mai târziu. După cum s-a demonstrat deja mai sus, legătura dintre descoperirile fundamentale și tehnologiile care le folosesc poate uneori să nu fie deloc evidentă.

În sfârșit, să remarcăm așa-numitele descoperiri indirecte, care nu sunt stabilite ca obiective inițiale ale studiului. Ele apar destul de des, deoarece realizarea unei descoperiri fundamentale necesită de obicei introducerea și utilizarea noilor tehnologii. Astfel, dezvoltarea opticii a primit un impuls din cercetarea spațială fundamentală, bazată pe observațiile astronomilor prin telescop. În cazul CERN, așa a apărut o tehnologie omniprezentă: Internetul, un proiect propus de Tim Berners-Lee în 1989 pentru a face mai ușor de găsit datele organizației CERN.

5 (100%) 1 vot(e)

Large Hadron Collider, cel mai puternic accelerator de particule din lume, care este testat la Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN), a devenit subiectul unui proces chiar înainte de lansare. Cine a dat în judecată oamenii de știință și de ce?

Nu judeca Large Hadron Collider... Locuitorii statului Hawaii Walter Wagner și Luis Sancho au intentat un proces la tribunalul federal din Honolulu împotriva CERN, precum și participanții americani la proiect - Departamentul de Energie, Fundația Națională de Știință și Laboratorul Național de Accelerator Fermi pentru Acest motiv.

⦳⦳⦳⦳⦳

Cetăţenii americani se temeau că ciocnirile de particule subatomice extrem de energice ar fi efectuate într-un accelerator pentru a simula evenimentele care au avut loc. în Univers în primele momente după Big Bang, poate crea obiecte ameninţând existenţa Pământului.

Ciocnitorul mare de hadroni la Cern. În cadru este o simulare a procesului de producție a bosonului Higgs în detectorul CMS

Pericolul, potrivit reclamanților, vine în primul rând din așa-numitele găuri negre - obiecte fizice care pot absorb unele dintre obiectele de pe planeta noastră - de exemplu, un oraș mare.

În ciuda faptului că procesul a fost depus în instanță la începutul lui aprilie 2008, experții nu l-au tratat deloc ca pe o glumă a lui Aprilie.

Și pe 6 aprilie au organizat o zi a porților deschise la Centrul de Cercetare Nucleară, invitând publicul, jurnaliști, elevi și școlari la un tur al acceleratorului, pentru ca aceștia să nu poată vedea doar cu ochii lor instrumentul științific unic, dar primesc și răspunsuri cuprinzătoare la toate întrebările lor.

În primul rând, desigur, organizatorii proiectului au încercat să convingă vizitatorii că LHC nu ar putea deveni în niciun fel vinovatul „sfârșitului lumii”.

Da, situat într-un tunel circular cu o circumferință de 27 km, ciocnitorul (din engleză se ciocnește - „colid”) este capabil să accelereze fasciculele de protoni și să le ciocnească cu o energie de până la 14 teraelectronvolți de 40 de milioane de ori pe secundă.

Fizicienii cred că va fi posibil să se recreeze condițiile care au apărut la o trilionime de secundă după Big Bang și, astfel, să obțină informații valoroase despre începutul Universului.

Large Hadron Collider și gaură neagră

Dar reprezentantul CERN, James Gills, și-a exprimat mari îndoieli cu privire la posibilitatea ca o gaură neagră să apară în acest caz sau ceva complet necunoscut. Și nu numai pentru că evaluarea siguranței ciocnitorului este efectuată în mod constant de către teoreticieni, ci și pur și simplu bazată pe practică.

„Un argument important că experimentele CERN sunt sigure este însăși existența Pământului”, a spus el.

– Planeta noastră este expusă în mod constant la fluxuri de radiații cosmice, a căror energie nu este inferioară și adesea o depășește pe cea a lui Cernov și nu a fost încă distrusă de o gaură neagră sau din alte motive.

Între timp, după cum am calculat, în timpul existenței Universului, natura a finalizat cel puțin 1031 de programe similare cu cel pe care tocmai suntem pe cale să îl implementăm”...

El nu vede niciun pericol deosebit în posibilitatea unei reacții de anihilare necontrolate care implică antiparticule care apar ca urmare a experimentelor.

„Ei produc de fapt antimaterie la CERN,– a confirmat omul de știință într-un interviu acordat revistei New Scientist.

„Cu toate acestea, acele firimituri care pot fi create artificial pe Pământ nu ar fi suficiente nici măcar pentru cea mai mică bombă.”

Este extrem de dificil să depozitezi și să acumulezi antimaterie (și unele dintre tipurile sale sunt complet imposibile)”...

Ciocnitorul mare de hadroni și boson

Caută bosonul. Apropo, aceeași revistă a scris că experții ruși - profesorul Irina Arefieva și doctorul în științe fizice și matematice Igor Volovich de la Institutul de Matematică Steklov din Moscova - cred că un experiment la scară largă la CERN ar putea duce la apariția primului. .. mașina timpului în lume.

Am rugat-o pe profesorul Irina Yaroslavovna Arefieva să comenteze acest mesaj. Și asta a spus ea:

„Știm încă destul de puține despre structura lumii din jurul nostru. Amintiți-vă, grecii antici credeau că toate obiectele sunt făcute din atomi, ceea ce înseamnă „indivizibil” în greacă.

Cu toate acestea, de-a lungul timpului a devenit clar că atomii înșiși au o structură destul de complexă, constând din electroni, protoni și neutroni. În prima jumătate a secolului al XX-lea, s-a dovedit brusc că aceiași electroni cu protoni și neutroni, la rândul lor, pot fi împărțiți într-un număr de particule.

La început au fost numiți nechibzuit elementari. Cu toate acestea, acum devine clar că multe dintre aceste așa-numite particule elementare pot, la rândul lor, să se divizeze...

În general, atunci când teoreticienii au încercat să combine toate cunoștințele acumulate în cadrul așa-numitului Model Standard, s-a dovedit că veriga sa centrală, conform unor date, este bosonii Higgs.

Particula misterioasă și-a primit numele de la profesorul Peter Higgs de la Universitatea din Edinburgh. Spre deosebire de profesorul Higgins din celebrul musical, el nu s-a angajat să predea pronunția corectă a fetelor drăguțe, ci să învețe legile microlumii.

Și încă din anii 60 ai secolului trecut a făcut următoarea presupunere: „Universul nu este deloc gol, așa cum ni se pare.

Întregul său spațiu este umplut cu o anumită substanță vâscoasă, prin care, de exemplu, se realizează interacțiunea gravitațională între corpurile cerești, variind de la particule, atomi și molecule până la planete, stele și galaxii.”

Pentru a spune simplu, P. Higgs a sugerat să ne întoarcem la idee "difuzare la nivel mondial" care odată a fost deja respinsă. Dar din moment ce fizicienilor, ca și altor oameni, nu le place să-și recunoască greșelile, substanța nou-veche se numește acum „Câmpul Higgs”.

Și acum se crede că acest câmp de forță este cel care dă masă particulelor nucleare. Iar atracția lor reciprocă este asigurată de purtătorul gravitației, care a fost numit mai întâi graviton, iar acum bosonul Higgs.

În 2000, fizicienii au crezut că au „prins” în sfârșit bosonul Higgs. Cu toate acestea, o serie de experimente întreprinse pentru a testa primul experiment au arătat că bosonul a scăpat din nou. Cu toate acestea, mulți oameni de știință sunt încrezători că particula încă există.

Și pentru a-l prinde, trebuie doar să construiți capcane mai fiabile și să creați acceleratoare și mai puternice. Unul dintre cele mai ambițioase instrumente ale omenirii a fost construit prin eforturi universale la CERN, lângă Geneva.

Cu toate acestea, bosonul Higgs este prins nu numai pentru a verifica validitatea predicțiilor oamenilor de știință, ci și pentru a găsi un alt candidat pentru rolul de „primul bloc de construcție al Universului”.

« Există, în special, presupuneri exotice despre structura Universului,

– și-a continuat povestea profesorul I.Ya. Arefieva.

– Teoria tradițională spune că trăim într-o lume cu patru dimensiuni

– trei coordonate spațiale plus timpul.

Teoria de măsurare a marelui colisionar de hadroni

Dar există ipoteze care sugerează că de fapt există mai multe dimensiuni - șase sau zece, sau chiar mai multe. În aceste dimensiuni, forța gravitației poate fi semnificativ mai mare decât g cu care suntem obișnuiți.

Iar gravitația, conform ecuațiilor lui Einstein, poate influența trecerea timpului. De aici a apărut ipoteza "mașina timpului". Dar chiar dacă există, va fi pentru un timp foarte scurt și într-un volum foarte mic”...

La fel de exotică, potrivit Irinei Yaroslavovna, este ipoteza despre formarea grinzilor care se ciocnesc găuri negre în miniatură. Chiar dacă sunt formați, durata lor de viață va fi atât de nesemnificativă încât va fi extrem de greu de detectat pur și simplu.

Doar prin dovezi indirecte, de exemplu, radiația cu raze X a lui Hawking și chiar și atunci după ce gaura în sine dispare.

Pe scurt, reacțiile, conform unor calcule, vor avea loc într-un volum de doar 10–20 de metri cubi. cm și atât de repede încât experimentatorii vor trebui să-și dezvolte creierul pentru a pune senzorii potriviți în locurile potrivite, pentru a obține datele și apoi să le interpreteze în consecință.

Va urma… Din momentul în care profesorul Arefieva a rostit cuvintele de mai sus, au trecut aproape cinci ani până s-au scris aceste rânduri.

În acest timp, a avut loc nu doar prima lansare de probă a LHC, ci și câteva ulterioare. După cum știți acum, toată lumea a rămas în viață și nu s-a întâmplat nimic groaznic. Lucrările continuă...

Oamenii de știință se plâng doar că le este foarte dificil să monitorizeze funcționalitatea tuturor echipamentelor acestei instalații științifice unice. Cu toate acestea, ei visează deja să construiască un accelerator de particule gigant de ultimă generație - International Linear Collider (ILC).

CERN, Elveția. Iunie 2013.

În orice caz, asta scriu Barry Barish, profesor emerit la Institutul de Tehnologie din California, care conduce proiectarea International Linear Collider, și colegii săi despre asta.

– Nicholas Walker Walker, un fizician accelerator din Hamburg, și Hitoshi Yamamoto, profesor de fizică la Universitatea Tohoku din Japonia.

Ciocnitorul mare de hadroni al viitorului

„Designerii ILC au determinat deja principalii parametri ai viitorului colisionar”, raportează oamenii de știință.

– Lungimea sa este de aprox. 31 km; partea principală va fi ocupată de două acceleratoare liniare supraconductoare, care vor asigura coliziuni electron-pozitroni cu o energie de 500 GeV.

De cinci ori pe secundă, ILC va genera, accelera și va ciocni aproape 3.000 de bucăți de electroni și pozitroni într-un impuls de 1 ms, corespunzând la 10 MW de putere pentru fiecare fascicul.

Eficiența instalației va fi de aproximativ 20%, prin urmare puterea totală de care ILC va avea nevoie pentru a accelera particulele va fi de aproape 100 MW.”

Pentru a crea un fascicul de electroni, o țintă de arseniură de galiu va fi iradiată cu un laser; în acest caz, în fiecare impuls, miliarde de electroni vor fi scoși din el.

Acești electroni vor fi accelerați imediat la 5 GeV într-un accelerator supraconductor liniar scurt și apoi injectați într-un inel de stocare de 6,7 kilometri situat în centrul complexului.

Mișcându-se în inel, electronii vor genera radiații sincrotron, iar ciorchinii se vor comprima, ceea ce va crește densitatea sarcinii și intensitatea fasciculului.

La jumătatea drumului, la o energie de 150 MeV, mănunchiurile de electroni vor fi ușor deviate și dirijate într-un magnet special, așa-numitul ondulator, unde o parte din energia lor va fi convertită în radiații gamma.

Fotonii de raze gamma vor lovi o țintă din aliaj de titan care se rotește cu aproximativ 1.000 de rotații pe minut.

În acest caz, se formează multe perechi electron-pozitron. Pozitronii vor fi capturați, accelerați la 5 GeV, după care vor cădea într-un alt inel de compresie și, în final, în cel de-al doilea accelerator supraconductor liniar principal de la capătul opus al LS.

Când energia electronilor și pozitronilor atinge o valoare finală de 250 GeV, aceștia se vor grăbi spre punctul de coliziune. După ciocnire, produsele de reacție vor fi direcționate în capcane, unde vor fi înregistrate.

Videoclipul Large Hadron Collider

Cel mai mare și mai puternic accelerator de particule din lume - Large Hadron Collider (LHC) - a revenit recent la lucru. După actualizare, acceleratorul de particule a început să funcționeze cu putere dublă. Înseamnă asta că toate temerile asociate cu lansarea sa inițială au fost reînviate cu răzbunare?

Deși acest eveniment a fost anticipat în întreaga lume, au fost doi oameni care au rămas tăcuți: Walter Wagner, un ofițer de securitate nucleară pensionat, și jurnalistul spaniol Luis Sancho. Ei au propria lor istorie asociată cu LHC și poate că le datorăm pentru toate poveștile de groază asociate cu lansarea unei mașini de divizare de protoni.

Cu câteva luni înainte ca ciocniderul să fie pornit pentru prima dată în 2008, Wagner și Sancho au intentat un proces împotriva organizațiilor din spatele mașinii monstru: Departamentul Energiei din SUA, Laboratorul Național de Accelerator Fermi și Fundația Națională pentru Știință.

Este de la sine înțeles că a fost nevoie de mult curaj și poate de puțină nebunie pentru a încerca să dai în judecată oricare dintre aceste organizații care angajează pe unii dintre cei mai străluciți intelectuali ai umanității, cu atât mai puțin să-i atace pe toți odată. Mai ales după ce au finalizat construcția unui proiect de 30 de ani și 6 miliarde de dolari. În apărarea bărbaților, Wagner și Sancho au încercat să salveze lumea de la ceea ce ei credeau că este o distrugere inevitabilă.

Printre temeri a fost că LHC ar putea crea o gaură neagră în miniatură care ar înghiți literalmente Pământul. În procesul lor, ei au argumentat:

„În cele din urmă, întregul Pământ va cădea într-o micro gaură neagră în creștere, care va transforma Pământul într-o gaură neagră de dimensiuni medii în jurul căreia luna, sateliții, ISS etc. vor continua să orbiteze.”

Procesul a fost respins deoarece bărbații nu au putut dovedi o „amenințare credibilă”. Cu toate acestea, până astăzi există oameni pe Pământ care sunt încrezători că LHC va duce omenirea la colaps. Deși Sancho și Wagner s-au înșelat - Pământul este pe loc, LHC-ul funcționează de câțiva ani la rând - este important să înțelegem de ce fundalul științific al LHC nu implică nicio amenințare. Înțelege de ce Marele Ciocnitor de Hadroni nu va provoca un asemenea prejudiciu catastrofal.

Nașterea unei găuri negre

Găurile negre sunt obiecte compacte extrem de dense, cu o masă cuprinsă între 4 și 170 de milioane de ori mai mare decât cea a Soarelui. Deși găurile negre sunt prin definiție uriașe, este cel puțin teoretic posibil ca cantități mici de materie – zeci de micrograme – să fie împachetate suficient de strâns pentru a crea o gaură neagră. Acesta ar fi un exemplu de gaură neagră microscopică.

Până acum, nimeni nu a observat sau produs găuri negre microscopice - nici măcar LHC. Dar înainte de a fi pornit pentru prima dată în 2008, Wagner și Sancho s-au temut că accelerarea particulelor subatomice la 99,99% din viteza luminii și apoi ciocnirea lor ar putea crea o mizerie atât de densă de particule încât ar apărea o gaură neagră.

Fizicienii CERN raportează că teoria generală a relativității a lui Einstein sugerează că ar fi imposibil ca LHC să producă un astfel de fenomen exotic. Dar dacă Einstein a greșit? De asta se tem Wagner și Sancho.

Chiar și așa, o altă teorie dezvoltată de renumitul astrofizician Stephen Hawking prezice că, chiar dacă s-ar forma o gaură neagră microscopică în interiorul LHC, aceasta s-ar dezintegra instantaneu, nefiind nicio amenințare pentru existența Pământului.

În 1974, Hawking a prezis că găurile negre nu numai că mănâncă materie, ci și o scuipă sub formă de radiație Hawking de o energie extrem de ridicată. Conform teoriei, cu cât gaura neagră este mai mică, cu atât emite mai multă radiație Hawking în spațiu, dispărând treptat. Astfel, gaura neagră microscopică, devenită cea mai mică, va dispărea înainte să ne poată provoca daune și să ne distrugă. Poate că acesta este motivul pentru care nu am văzut găuri negre microscopice.

Nașterea materiei ciudate

Materia ciudată este formată din particule ipotetice individuale - bretele - care diferă de materia obișnuită care alcătuiește tot ce ne înconjoară.

Wagner și Sancho se tem că această materie ciudată se poate îmbina cu materia normală și „ar putea transforma întregul Pământ într-un singur lucru mare ciudat”. Desigur, preocupările lui Wagner și Sancho nu se bazează pe teoriile lor - aceste gânduri au fost discutate în cercuri științifice mai serioase.

Cu toate acestea, nimeni nu știe comportamentul exact al materiei ciudate sau chiar al unui singur straniu; Acesta este parțial motivul pentru care bretelele rămân candidate pentru particulele de materie întunecată, care predomină în Universul nostru.

Pentru a susține această teorie, fizicienii de la Brookhaven National Laboratory din New York au încercat să creeze un ciudat la Relativistic Heavy Ion Collider încă de la începutul acestui secol. Până acum nu am văzut un singur strap-on. Dar, desigur, există întotdeauna șanse.

Dacă Laboratorul Național Brookhaven are noroc în căutarea sa, rămân temerile că ciudații care intră în contact cu materia obișnuită vor declanșa o reacție în lanț care te va transforma pe tine, pe noi și pe orice altceva de pe Pământ într-un pâlc de materie ciudată. Dacă vom putea supraviețui unei astfel de transformări și ce se va schimba este o ghicire a oricui. Dar necunoscutul este înfricoșător.

Fizicienii CERN susțin însă că, dacă Brookhaven reușește să creeze un străin, șansele ca acesta să interacționeze cu materia obișnuită sunt foarte mici:

„La temperaturile ridicate produse de coliziune, lipirea materiei ciudate este mai dificilă decât formarea de gheață în apă fierbinte”, spun ei.

Nașterea monopolurilor magnetice

În natură, magneții au două capete - un pol nord și un pol sud. Dar la sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicianul Pierre Curie, soțul lui Marie Curie, a sugerat că nu există niciun motiv pentru care o particulă cu un pol magnetic să nu existe.

Mai mult de o jumătate de secol mai târziu, o astfel de particulă, numită monopol magnetic, nu a fost niciodată creată sau observată în natură. Adică este pur ipotetic. Dar acest lucru nu l-a împiedicat pe Wagner să sugereze că o mașină puternică precum LHC ar putea crea primul monopol magnetic din istorie, care ar putea distruge Pământul.

„Astfel de particule pot avea capacitatea de a cataliza dezintegrarea protonilor și atomilor, determinându-i să se transforme în alte tipuri de materie”, au scris el și Sancho.

Teoria conform căreia un monopol ar putea distruge protonii - blocurile subatomice ale întregii materie din Univers - este în cel mai bun caz speculativă, explică fizicienii de la CERN. Dar să spunem că această teorie este adevărată. În acest caz, această particulă va avea o masă prea mare pentru ca LHC să creeze o astfel de particule.

În general, suntem în siguranță.

„Faptul de existență a Pământului și a altor corpuri cerești exclude posibilitatea de a crea monopoluri magnetice periculoase care mănâncă protoni folosind LHC”, spun fizicienii CERN.

Fizicienii vor petrece următoarele câteva luni mărind puterea LHC, astfel încât acesta să depășească de două ori puterea maximă la care a funcționat LHC în timpul primei sale lansări. Acest lucru nu schimbă faptul că Pământul este puțin probabil să fie distrus de găuri negre microscopice, bretele sau monopoluri magnetice.

Cea mai mare instalație pentru experimente fizice din istoria omenirii, Large Hadron Collider, situată într-un inel subteran de 28 de kilometri din Franța și Elveția, continuă să provoace zvonuri contradictorii. Unii așteaptă de la miraculoasa ei călătorie în timp, alții - descoperirea unei particule a lui Dumnezeu care lipsește din imaginea structurii lumii fizice, iar alții - consecințele teribile ale simulării Big Bang-ului, care ne poate distruge planeta.

Trailer de discuții.

Descărcați videoclipul (11,75 MB)

Care este esența experimentelor desfășurate la ciocnitor și pot reprezenta ele cu adevărat un pericol pentru întreaga umanitate? Este semnificația unei descoperiri fizice comparabilă cu riscul la scară planetară, chiar dacă este acceptabilă cu o probabilitate nesemnificativă?

În emisiunea de dezbatere „Angle of Suspicion” problema este discutată de directorul Centrului Științific și Educațional pentru Fizica Particulelor și a Energiei Înalte, profesor la BSU și cercetător independent, filozof, autor al teoriei „Despre o nouă teorie a originea Universului și pericolele experimentelor extreme cu materie”.

Versiunea integrală a discuției.

Atenţie! Aveți JavaScript dezactivat, browserul dvs. nu acceptă HTML5 sau aveți instalată o versiune mai veche a Adobe Flash Player.

Descarcă audio (25,84 MB)

Atenţie! Aveți JavaScript dezactivat, browserul dvs. nu acceptă HTML5 sau aveți instalată o versiune mai veche a Adobe Flash Player.

Descărcați videoclipul

Nikolai Maksimovici, ce experimente au devenit posibile odată cu apariția ciocnitorului?
Un ciocnitor este un microscop (aceasta este o analogie aproape literală). Este necesar un microscop pentru a privi lucrurile care nu sunt vizibile cu ochiul liber. Este necesar un accelerator de particule pentru a-l folosi pentru a examina detalii mai fine în profunzimile materiei și pentru a le studia. Înainte de construcția Marelui Colisionator de Hadroni, fizicienii, cu ajutorul Tevatronului, au ajuns la o distanță de 10-18 m, adică 10-16 cm Dimensiunile unui atom sunt de 10-10 m, dimensiunea unui nucleul atomic este de 10-15 cm, adică fizicienii au analizat materia cu câteva ordine de mărime mai adânc. Large Hadron Collider a făcut posibil să mergem și mai departe în adâncurile materiei și să descoperim cum este structurată, ce particule noi sunt generate la astfel de distanțe și intervale de timp și cum se comportă interacțiunea fundamentală a naturii. Toate acestea ne vor permite să vedem câteva fenomene noi.

Din câte știu eu, experimentele cu ciocnitorul nu observă pur și simplu natura așa cum este. Sunt lansate anumite procese care nu au loc în natură sau care sunt greu de observat atunci când apar în mod natural. La urma urmei, un experiment produce ceva cu materie și nu doar o observă. Ai putea clarifica acest punct?
Pe baza unor teorii dovedite, general acceptate, care nu au un singur eșec, nici un singur fapt contradictoriu, prezicem ce informații vom obține în urma efectuării acestor experimente. Desigur, pot exista noi particule, noi proprietăți de interacțiune. Dar din moment ce nu există un singur experiment care să contrazică teoria relativității și teoria câmpului cuantic, care descrie interacțiuni fundamentale, predicțiile noastre ar trebui justificate.

Dar, în același timp, opinia publică a fost agitată încă de la început. Unii fizicieni au făcut declarații că este imposibil să se asigure controlul complet asupra funcționării civizorului. Adică nimeni nu poate garanta securitatea completă. Asta este adevărat?
Nu cunosc astfel de fizicieni. Ei spun asta din cauza lipsei de informații.

Primul care a pus această întrebare a fost fizicianul american Loren Wagner, care a studiat razele cosmice și a lucrat și în serviciul de siguranță împotriva radiațiilor. A existat și fizicianul ucrainean Ivan Gorelik, profesorul de chimie Otto Ressler și încă mai puteți găsi multe nume care ridică în mod rezonabil problema impredictibilității experimentelor.

Când au avut loc primele conferințe de presă în ajunul lansării, organizatorii săi și-au exprimat mândria că, pentru prima dată în istoria științei, se desfășoară experimente care, în principiu, erau imprevizibile. Ei au spus că vor face descoperiri despre care nici măcar nu știau și vor depăși bariera cu care se confruntă fizica fundamentală astăzi. Fizica teoretică este în criză, iar teoria Big Bang este unul dintre conceptele care nu răspunde la multe întrebări și duce la o fundătură.

Puteți exprima întrebările nerezolvate ale teoriei Big Bang?
Dacă Big Bang-ul a avut loc și Universul a început cu el, atunci cum ar fi posibil să obținem lipsa cauzei acestei explozii într-o stare goală? Explozia însăși contrazice legile cunoscute ale fizicii (cum ar fi legi de bază precum legea conservării materiei și energiei, legea termodinamicii). Așa a luat ființă Universul: de nicăieri, într-un loc gol, fără cauză.

Acest lucru sună neprofesional și nu are absolut nicio legătură cu ceea ce explică teoria fizică și ceea ce observăm acum. Nu cunoaștem pe deplin modelul începutului Universului nostru, faza lui și ce se va întâmpla cu el în continuare. Poate că Universul pulsează, este comprimat într-un punct și apoi nestrâns. Dar nu se poate imagina că a existat un vid în care ceva a apărut din nimic.

Fizicienii spun sincer că nu știu motivul pentru care a avut loc Big Bang-ul, dar cu siguranță nu există teorii concurente care să fie confirmate de fapte observaționale. Mă refer la radiația cosmică de fond cu microunde, legea lui Hubble (expansiunea galaxiilor) și acum și expansiunea accelerată a Universului nostru. Am ajuns la conceptul de materie întunecată și energie întunecată, care reprezintă 96% din masa Universului nostru. Teoria Big Bang este cel mai de încredere model și nu cunosc alte modele care ar putea concura cu ea cu un asemenea grad de validitate observațională.

La început ea a explicat ceva, dar când au început să-și dea seama, s-a dovedit că doar 5% din materie rezultă din această teorie. Apoi, complet nedovedite, au fost introduse noi entități - materia întunecată și energia întunecată.

Conform celei de-a doua legi a lui Newton, accelerarea este imposibilă fără forță. Forța este legată de energie, ceea ce înseamnă că Universul se poate extinde cu accelerație datorită energiei. Comparăm această energie, pe care o vedem, dar despre care încă nu știm nimic, cu un parametru care poate fi folosit pentru a determina accelerația. Și spunem că reprezintă aproximativ 74% din masa Universului. Alte 22% sunt estimate a fi materie întunecată. Acestea sunt particule neutre (neîncărcate) necunoscute. Unul dintre ei poate fi bosonul Higgs, care va fi descoperit ca urmare a experimentelor cu colisionantul.

Există și alte teorii care explică ceea ce teoria Big Bang nu explică. Și fac asta fără a introduce postulate nedemonstrabile sub formă de materie întunecată.

Care teorie este o alternativă la teoria Big Bang?
Există două puncte de vedere asupra originii Universului. Potrivit unei versiuni, a provenit din cel mai mic punct ca urmare a Big Bang-ului. Chiar și laureații Nobel oferă evaluări nemăgulitoare ale acestei teorii. Potrivit altuia, materia din Univers a apărut nu dintr-o explozie, ci dintr-un vid. Această teorie rezolvă toate problemele, în cadrul tuturor legilor fizicii, fără a implica entități suplimentare.

Oamenii sunt liberi să inventeze ipoteze, aceasta este natura lor. Premiile Nobel pentru fizică, mai ales în ultimele decenii, au fost primite tocmai pentru confirmarea teoriei Big Bang. Cea mai grea întrebare în fizică este „de ce?” În primul rând, fizicienii răspund la întrebările „ce?” și „cum?” și întrebările „de ce?” sunt decise ulterior.

Un colisionant poate ajuta să răspundă la întrebarea „de ce”?
Fara indoiala. De ce sarcinile electronilor și protonilor sunt egale ca mărime? Acesta este un mister al naturii.

Cât de periculos este ciocnitorul bazat pe teoria ta?
Dacă presupunem că lumea a ieșit din vidul care dă naștere particulelor, putem induce procesul de anihilare.

Acestea sunt speculații absolut nefondate.

Au existat exemple în activitatea ciocnitorului care ar putea măcar să confirme cumva aceste speculații? Au avut loc procese necontrolabile?
Desigur că nu! În 2008, directorul CERN și-a părăsit postul și a dorit ca colisionarul să fie lansat sub el. Prin urmare, toată lumea s-a grăbit și nu a verificat lucrurile de bază - conexiunile firelor la rezervoarele cu heliu lichid. Când au început să crească tensiunea și să crească puterea, curentul a crescut și un contact s-a topit. Picături de metal topit au ars o gaură în rezervorul de heliu lichid și, în mod natural, a explodat. Asta e tot ce sa întâmplat. După un an și jumătate, totul a fost curățat și a fost asigurată siguranța deplină. Această mașină este acum mai fiabilă decât toate centralele nucleare și navele spațiale.

Din această cauză, procesele nu au mers într-o direcție incontrolabilă?
Un rezervor cu heliu lichid a explodat, unda de șoc a fost de 320 m, amortizoarele s-au extins automat, iar sistemul de protecție a fost activat.

Pericolul ciocnitorului nu constă în defecțiunile tehnice, ci în imprevizibilitatea fenomenului. Pentru prima dată, au fost finalizate instalații experimentale care afectează particulele de materie cu un ordin de mărime mai mare decât în ​​timpul exploziei unei bombe termonucleare! Este posibil să se genereze un proces care va provoca anihilarea materiei planetei. Nikolai Maksimovici a spus că civizorul este mai fiabil decât o centrală nucleară. Dar la Fukushima motivul a fost factorul uman: a fost necesar să se țină cont de posibilitatea unui tsunami.

Au existat experimente cu privire la anihilarea materiei? Acest proces a fost realizat la scară mică, controlată?
Acceleratorul Tevatron din SUA este un accelerator de protoni și antiprotoni. Se ciocnesc și se anihilează pentru că sunt o particulă și o antiparticulă.

Dar, în același timp, nu există nicio schimbare în chestiunea din jur, o reacție în lanț?
Nu, aceasta este o reacție nucleară obișnuită de ciocnire a particulelor elementare.

CERN a anunțat recent descoperirea unei particule similare bosonului Higgs, care a fost prezisă de Peter Higgs în 1964. Cum ar putea această descoperire să afecteze starea teoriei fizice moderne? Lucrul cu această particule ar putea fi riscant?
Voi răspunde imediat la ultima întrebare - nu, desigur. Acest lucru este important pentru că nu știam de unde a venit masa. Baza teoriei care descrie interacțiunea fundamentală a particulelor este principiul simetriei. La început, particulele par să nu aibă masă, dar în realitate sunt masive. Prin urmare, a fost inventată teoria ruperii spontane a simetriei unei particule egale și fără masă. Oamenii de știință au dat vina apariției masei pe un câmp scalar suplimentar și pe particula Higgs ca cuantă a acestui câmp.

Se presupune că acest câmp străbate întregul Univers. Depășirea acestuia cu particule inițial fără masă le conferă masă. Cu cât depășirea câmpului Higgs este mai mare, cu atât masa particulelor este mai mare. Originea masei în sine rămâne inexplicabilă: este încă greu de înțeles de unde provine în însuși bosonul Higgs. Descoperirea bosonului este un fapt de o semnificație enormă care va explica originea masei, principala caracteristică a tot ceea ce există în Univers.

Cu un secol și jumătate în urmă, celebrul fizician și filozof austriac Ernst Mach a explicat efectul de masă mai clar decât CERN cu bosonul și ciocnitorul său. „Fiecare particulă are un fel de câmp. O colecție de particule formează corpuri care au un fel de câmp. O colecție de corpuri, care emit stele, galaxii are și propriile câmpuri electromagnetice, energetice, gravitaționale, care formează câmpul total al Universului. În ea, fiecare particulă care are propriul său câmp, interacționează cu materia Universului, încetinește, accelerează.”

Cuvinte frumoase fără o singură formulă sau enunț matematic.

Nu este mai amuzant să spunem că există o particulă care este responsabilă pentru masa a tot ce se află în Univers?

În centrul a tot ceea ce există se află câteva particule. De fapt, ceea ce ne înconjoară sunt doi quarci, un electron, un electron și un neutrin ionic. Bosonii fac ca particulele numite să interacționeze. Toate celelalte particule se nasc în experimente, ciocniri de particule și ciocniri cu raze cosmice. Teoria care explică o structură atât de simplă a lumii este teoria gauge a interacțiunilor fundamentale. Dar trebuie să plătiți pentru această frumusețe, deoarece toate particulele se dovedesc a fi fără masă. Singura explicație solidă din punct de vedere matematic și susținută fizic este mecanismul de rupere spontană a simetriei gauge, care duce la existența bosonului Higgs.

Cuvântul „câmp” nu se potrivește fizicii moderne?
Orice particulă corespunde unui câmp cu ajutorul căruia este descrisă interacțiunea particulelor.

Te referi la o nouă entitate care este introdusă prin postulare nedovedită. Quarcii sunt o idee nedovedită, este construită pe abstractizare matematică pură: dacă permitem încărcături fracționale, protonii și neutronii se vor aduna.

Acest lucru a fost stabilit experimental prin numeroase fapte de nerefuzat. Efectele cauzate de quarci nu pot fi explicate prin nimic altceva. Nu putem înregistra un quarc liber, îi vedem doar urma, jeturi de particule secundare. Oamenii nu se pot împăca cu asta, dar aceasta este realitatea. Einstein a respins odată mecanica cuantică pentru că a spus că Dumnezeu nu joacă zaruri. Dar nimeni nu a anulat mecanica cuantică din această cauză și toată lumea și-a dat seama că nu este clar. Cine își poate imagina că o particulă este și o undă? Astfel de procese nu vor fi niciodată vizibile, dar asta nu înseamnă că nu există.

Dar asta nu înseamnă că există. Aceasta este o presupunere nedovedită.

Poziția lui Mach a fost dovedită în vreun fel?
Fiecare are o minte, o persoană poate analiza și trage propriile concluzii.

Același lucru se face și aici. Din anumite motive, bosonul Higgs este numit particula lui Dumnezeu. De ce este așa?
Sunt opinii diferite. Laureatul Nobel Leon Lederman a spus că bosonul Higgs este o particulă a lui Dumnezeu. Dar traducerea s-a dovedit a fi inexactă. Mi se pare că bosonul poate fi numit în mod figurat o particulă a lui Dumnezeu, deoarece diferă de toate celelalte particule prin faptul că interacționează foarte slab cu alte particule. Doar datorită energiei și densității record a fasciculelor, au fost detectate doar 8 evenimente cu bosonul Higgs. Statisticile sunt încă mici, dar experimentele vor continua și vor fi sute și mii de evenimente. Acesta este un fenomen extrem de rar care furnizează masa a tot ceea ce există, așa că la figurat poate fi numit o părticică a lui Dumnezeu.

Care sunt planurile imediate ale experimentatorilor? Va crește puterea sau particulele deja descoperite vor fi studiate mai detaliat?
Acesta este doar începutul; proprietățile acestei particule rămân de stabilit. Trebuie să stabilim - acesta este modelul standard de boson Higgs sau altceva? Vor vorbi despre fenomene noi, trecând dincolo de modelul standard. Cilizorul este planificat să fie oprit în martie 2013 și va fi modernizat în decurs de 1 an și 8 luni. Civizorul va ieși cu o energie de 14 TeV în sistemul central și cu o luminozitate crescută de 1034. Apoi, civizorul este planificat să fie oprit în 2018 pentru un an și jumătate, iar luminozitatea va fi dublată. Dacă până în acel moment inginerii rezolvă unele probleme, atunci va fi de 5 ori. Se preconizează colectarea de statistici, căutarea de noi și clarificarea fenomenelor deja cunoscute, diverși parametri pentru a face modelul standard mai precis. Funcționarea acceleratorului și a instalațiilor este planificată până în 2030.