Значення адронного коллайдера. Великий адронний колайдер – навіщо він потрібний? Як справити враження науково підкованої людини за допомогою адронного колайдера

Продовжу свою розповідь про відвідування дня відкритих дверей у CERN.

Частина 3. Обчислювальний центр.

У цій частині я розповім про місце, де зберігають та обробляють те, що є продуктом роботи CERN – результати експериментів. Йтиметься про обчислювальний центр, хоча правильніше, мабуть, його назвати дата центром. Але спочатку я трохи торкнуся проблематики обчислень та зберігання даних у CERN. Щороку один тільки Великий Адронний Колайдер виробляє таку кількість даних, що якщо їх записати на CD, вийде стос заввишки 20 кілометрів. Це відбувається через те, що при роботі колайдера пучки стикаються 30 мільйонів разів на секунду і при кожному зіткненні виникає приблизно 20 подій, кожна з яких робить велику кількість інформації в детекторі. Звичайно, ця інформація обробляється спочатку в самому детекторі, потім надходить в локальний обчислювальний центр і потім передається в головний центр зберігання і обробки даних. Тим не менш, доводиться обробляти приблизно петабайт даних щодня. До цього треба додати те, що ці дані треба не тільки зберігати, а й розподіляти між дослідницькими центрами по всьому світу, а також підтримувати приблизно 4000 користувачів WiFi мережі в самому CERN. Необхідно додати, що є допоміжний центр зберігання та обробки даних в Угорщині, з яким існує 100 гігабітний лінк. При цьому всередині CERN прокладено 35 000 кілометрів оптичного кабелю.
Однак, таким потужним комп'ютерним центром був не завжди. На фотографії видно, як змінювалося обладнання з часом.

Наразі відбувся перехід від мейнфреймів до гриду звичайних РС. В даний час центр має 90000 процесорних ядер у 10000 серверів, які працюють 24 години на добу 7 днів на тиждень. У середньому на цьому гриді одночасно працює 250 000 завдань з обробки даних. Цей обчислювальний центр знаходиться на піку сучасних технологій і часто рухає обчислювальну техніку та IT вперед для вирішення завдань, необхідних для зберігання та обробки таких великих обсягів даних. У будівлі, що знаходиться недалеко від обчислювального центру Тімом Бернерсом-Лі був винайдений World Wide Web (розкажіть про це тим ідіотам альтернативно обдарованим, які, сидячи в інтернеті, кажуть, що фундаментальна наука не приносить користі).

Однак повернемося до проблеми зберігання даних. На фотографії видно, що в допотопні часи раніше дані зберігалися на магнітних дисках (Так, так, я пам'ятаю ці диски об'ємом 29 мегабайт на ЄС ЕОМ).

Щоб подивитися, як справи сьогодні, я йду до будівлі, де знаходиться обчислювальний центр.

Там, на диво, народу не дуже багато, і я досить швидко проходжу всередину. Нам показують невеликий фільм, а потім ведуть до замкнених дверей. Наш гід відкриває двері і ми опиняємось у досить великій залі, де знаходяться шафи з магнітними стрічками, на яких і записана інформація.

Більшість зали зайнята цими самими шафами.

Вони зберігаються близько 100 петабайт інформації (що еквівалентно 700 рокам Full HD відео) в 480 мільйонах файлів. Цікаво, що до цієї інформації мають доступ приблизно 10000 фізиків по всьому світу у 160 обчислювальних центрах. Ця інформація містить усі експериментальні дані, починаючи з 70-х років минулого століття. Якщо придивитися уважніше, видно, як ці магнітні стрічки розташовані всередині шаф.

У деяких стійках є процесорні модулі.

На столі знаходиться невелика виставка того, що використовується для зберігання даних.

Цей обчислювальний центр споживає 3.5 мегават електричної енергії і має свій дизель-генератор на випадок відключення електрики. Треба сказати про систему охолодження. Вона розташована зовні будівлі і жене холодне повітря під фальш-підлогою. Водяне охолодження використовується лише на невеликій кількості серверів.

Якщо глянути всередину шафи, видно, як відбувається автоматична вибірка та завантаження магнітних стрічок.

Взагалі-то цей зал є не єдиним залом, де розташована обчислювальна техніка, але те, що відвідувачів пустили хоча б сюди, вже викликає повагу до організаторів. Я сфотографував те, що демонструвалося на столі.

Після цього з'явилася інша група відвідувачів, і нас попросили на вихід. Роблю останню фотографію та залишаю обчислювальний центр.

У наступній частині я розповім про майстерні, де створюється та збирається унікальне обладнання, яке використовується у фізичних експериментах.

(або ВАК)- на даний момент найбільший і найпотужніший прискорювач частинок у світі. Ця махіна була запущена у 2008 році, але довго працювала на знижених потужностях. Розберемося, що це таке і навіщо потрібний великий адронний колайдер.

Історія, міфи та факти

Ідея створення колайдера була озвучена у 1984 році. А сам проект на будівництво колайдера було схвалено і прийнято аж 1995 року. Розробка належить Європейському центру ядерних досліджень (CERN). Загалом запуск колайдера привернув до себе велику увагу не лише вчених, а й простих людей з усього світу. Говорили про всілякі страхи та жахіття, пов'язані із запуском колайдера.

Втім, хтось і зараз, цілком можливо, чекає на апокаліпсис, пов'язаний з роботою ВАК і тремтить від однієї думки про те, що буде, якщо ч вибухне великий адронний колайдер. Хоча, в першу чергу, всі боялися чорної дірки, яка, спочатку будучи мікроскопічною, розростеться і благополучно поглине спочатку сам колайдер, а за ним Швейцарію та решту світу. Також більшу паніку викликала анігіляційна катастрофа. Група вчених навіть подала до суду, намагаючись зупинити будівництво. У заяві говорилося, що згустки антиматерії, які можуть бути отримані в колайдері, почнуть анігілювати з матерією, почнеться ланцюгова реакція і весь Всесвіт буде знищено. Як казав відомий персонаж із «Назад у Майбутнє»:

Весь Всесвіт, звичайно, у найгіршому випадку. У кращому – лише наша галактика. Лікар Емет Браун.

А тепер спробуємо зрозуміти, чому він адронний? Справа в тому, що він працює з адронами, точніше розганяє, прискорює та стикає адрони.

Адрони- Клас елементарних частинок, схильних до сильної взаємодії. Адрони складаються з кварків.

Адрони поділяються на баріони та мезони. Щоб було простіше, скажімо, що з баріонів складається майже вся відома нам речовина. Спростимо ще більше і скажемо, що баріони – це нуклони (протони та нейтрони, що становлять атомне ядро).

Як працює великий адронний колайдер

Масштаб дуже вражає. Колайдер є кільцевим тунелем, що залягає під землею на глибині ста метрів. Довжина великого адронного колайдера становить 26 659 метрів. Протони, розігнані до швидкостей близьких до швидкості світла, пролітають у підземному колі територією Франції та Швейцарії. Якщо говорити точно, то глибина залягання тунелю лежить у межах від 50 до 175 метрів. Для фокусування і утримання пучків протонів, що летять, використовуються надпровідні магніти, їх загальна довжина становить близько 22 кілометрів, а працюють вони при температурі -271 градусів за Цельсієм.

У складі колайдера 4 гігантські детектори: ATLAS, CMS, ALICE та LHCb. Крім основних великих детекторів є ще й допоміжні. Детектори призначені для фіксації результатів зіткнень частинок. Тобто після того, як на навколосвітніх швидкостях стикаються два протони, ніхто не знає чого чекати. Щоб «побачити», що вийшло, куди відскочило і як далеко відлетіло, і існують детектори, напхані всілякими датчиками.

Результати роботи великого адронного коллайдера.

Навіщо потрібний колайдер? Ну точно не для того, щоб знищити Землю. Здавалося б, який сенс зіштовхувати частки? Справа в тому, що питань без відповідей у ​​сучасній фізиці дуже багато, і вивчення світу за допомогою розігнаних частинок може в буквальному сенсі відкрити новий пласт реальності, зрозуміти устрій світу, а можливо навіть відповісти на головне питання «сенсу життя, Всесвіту і взагалі» .

Які відкриття вже здійснили на ВАК? Найвідоміше - це відкриття бозона Хіггса(Йому ми присвятимо окрему статтю). Крім того, були відкриті 5 нових частинок, отримані перші дані зіткнень на рекордних енергіях, показано відсутність асиметрії протонів та антипротонів, виявлено незвичайні кореляції протонів. Список можна продовжувати довго. А ось мікроскопічних чорних дірок, які наводили страх на домогосподарок, виявити не вдалося.

І це при тому, що колайдера ще не розігнали до його максимальної потужності. Наразі максимальна енергія великого адронного колайдера – 13 ТеВ(Тера електрон-Вольт). Однак, після відповідної підготовки протони планують розігнати до 14 ТеВ. Для порівняння, у прискорювачах-попередниках ВАК максимально отримані енергії не перевищували 1 ТеВ. Так розганяти частки міг американський прискорювач Теватрон зі штату Іллінойс. Енергія, досягнута в колайдері – далеко не найбільша у світі. Так, енергія космічного проміння, зафіксованого на Землі, перевищує енергію частки, розігнаної в колайдері в мільярд разів! Тож небезпека великого адронного колайдера мінімальна. Цілком імовірно, що після того, як усі відповіді будуть отримані за допомогою ВАК, людству доведеться будувати ще один колайдер посильніше.

Друзі, любите науку, і вона обов'язково покохає Вас! А допомогти Вам полюбити науку легко зможуть. Звертайтесь за допомогою, і нехай навчання приносить радість!

Великий адронний колайдер (БАК) - це прискорювач заряджених частинок, за допомогою якого фізики зможуть дізнатися про властивості матерії значно більше, ніж було відомо раніше. Прискорювачі використовують для отримання заряджених елементарних частинок високих енергій. В основі роботи практично будь-якого прискорювача лежить взаємодія заряджених частинок з електричним та магнітним полями. Електричне поле безпосередньо здійснює роботу над часткою, тобто збільшує її енергію, а магнітне поле, створюючи силу Лоренца, тільки відхиляє частинку, не змінюючи її енергії, і задає орбіту, якою рухаються частки.

Колайдер (англ. collide - "зіштовхуватися") - прискорювач на зустрічних пучках, призначений вивчення продуктів їх зіткнень. Дозволяє надати елементарним частинкам речовини високу кінетичну енергію, направити їх назустріч один одному, щоб зробити їхнє зіткнення.

Чому "великий адронний"

Великим колайдером названо, власне, через свої розміри. Довжина основного кільця прискорювача становить 26659 м; адронним - через те, що він прискорює адрони, тобто важкі частинки, що складаються з кварків.

Побудований ВАК у науково-дослідному центрі Європейської ради ядерних досліджень (ЦЕРН), на кордоні Швейцарії та Франції, неподалік Женеви. На сьогоднішній день ВАК є найбільшою експериментальною установкою у світі. Керівником цього масштабного проекту є британський фізик Лін Еванс, а в будівництві та дослідженнях брали та беруть участь понад 10 тис. вчених та інженерів із понад 100 країн.

Невеликий екскурс в історію

Наприкінці 60-х років минулого століття фізиками було розроблено так звану Стандартну модель. Вона поєднує три з чотирьох фундаментальних взаємодій - сильну, слабку та електромагнітну. Гравітаційну взаємодію, як і раніше, описують у термінах загальної теорії відносності. Тобто, на сьогоднішній день фундаментальні взаємодії описуються двома загальноприйнятими теоріями: загальною теорією відносності та стандартною моделлю.

Вважається, що стандартна модель має бути частиною деякої більш глибокої теорії будови мікросвіту, тією частиною, яка видна в експериментах на колайдерах при енергіях нижче приблизно 1 ТеВ (тераелектронвольт). Головне завдання Великого адронного колайдера – отримати хоча б перші натяки на те, що це за глибша теорія.

До основних завдань колайдера входить також відкриття і підтвердження Бозона Хіггса. Це відкриття підтвердило б Стандартну Модель виникнення елементарних атомних частинок та стандартної матерії. Під час запуску колайдера на повну потужність цілісність стандартної моделі буде зруйнована. Елементарні частинки, властивості яких ми розуміємо лише частково, неспроможні підтримувати свою структурну цілісність. Стандартна модель має верхню межу енергії 1 ТеВ, при збільшенні якої частка розпадається. При енергії в 7 ТеВ могли б бути створені частинки з масами, вдесятеро більшими за нині відомі.

Технічні характеристики

Передбачається зіштовхувати в прискорювачі протони з сумарною енергією 14 ТеВ (тобто 14 тераелектронвольт або 14 1012 електронвольт) в системі центру мас налітаючих частинок, а також ядра свинцю з енергією 5 ГеВ (5 109 електронвольт) на кожну.

Світимість ВАК під час перших тижнів роботи пробігу була трохи більше 1029 частинок/см²·с, проте вона продовжує постійно підвищуватися. Метою є досягнення номінальної світності в 1,7 · 1034 частинок/см² · с, що по порядку величини відповідає світимостей BaBar (SLAC, США) та Belle (KEK, Японія).

Прискорювач розташований у тому самому тунелі, який раніше займав Великий електрон-позитронний колайдер, під землею на території Франції та Швейцарії. Глибина залягання тунелю - від 50 до 175 метрів, причому кільце тунелю нахилено приблизно на 1,4% щодо поверхні землі. Для утримання, корекції та фокусування протонних пучків використовуються 1624 надпровідні магніти, загальна довжина яких перевищує 22 км. Магніти працюють при температурі 1,9 K (−271 °C), що трохи нижче температури переходу гелію в надплинний стан.

Детектори ВАК

На ВАК працюють 4 основні та 3 допоміжні детектори:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

Перший з них налаштований на дослідження зіткнень важких іонів. Температура і щільність енергії утвореної у своїй ядерної матерії достатньої народження глюонної плазми. Внутрішня система стеження (ITS) в ALICE складається з шести циліндричних шарів кремнієвих датчиків, що оточують пункт зіткнення і вимірюють властивості і точні положення частинок, що з'являються. Таким чином, можуть бути легко виявлені частинки, що містять важкий кварк.

Другий призначений для дослідження зіткнень між протонами. Довжина ATLAS – 44 метри, 25 метрів у діаметрі та вага приблизно 7000 тонн. У центрі тунелю зіштовхуються промені протонів, це найбільший і найскладніший з коли-небудь побудованих датчиків такого типу. Датчик фіксує все, що відбувається під час та після зіткнення протонів. Метою проекту є виявлення частинок, до цього не зареєстрованих і не виявлених у нашому всесвіті.

CMS - один із двох величезних універсальних детекторів елементарних частинок на ВАК. Близько 3600 учених із 183 лабораторій та університетів 38 країн підтримують роботу CMS (На малюнку - пристрій CMS).

Найвнутрішній шар - заснований на кремнії трекер. Трекер – найбільший у світі кремнієвий датчик. Це має 205 m2 кремнієвих датчиків (приблизно область тенісного корту), що включають 76 мільйонів каналів. Трекер дозволяє вимірювати сліди заряджених частинок електромагнітному полі.

На другому рівні знаходиться електромагнітний калориметр. Адронний калориметр, що знаходиться на наступному рівні, вимірює енергію окремих адронів, вироблених у кожному випадку.

Наступний шар CMS Великого Адронного Колайдера – величезний магніт. Великий Соленоїдний Магніт складає 13 метрів у довжину та має 6-метровий діаметр. Складається він з котушок, що охолоджуються, зроблених з ніобію і титану. Цей великий соленоїдний магніт працює на повну силу, щоб максимізувати час існування частинок соленоїдний магніт.

П'ятий шар - мюонні детектори та ярмо повернення. CMS призначений для дослідження різних типів фізики, які можуть бути виявлені в енергійних зіткненнях LHC. Деякі з цих досліджень полягають у підтвердженні або покращених вимірах параметрів Стандартної Моделі, тоді як багато інших - у пошуках нової фізики.

Про Великого адронного колайдера можна розповідати багато і довго. Сподіваємося, що наша стаття допомогла розібратися в тому, що таке ВАК і для чого він необхідний вченим.

Словосполучення «Великий адронний колайдер» настільки глибоко осіло в мас-медіа, що про цю установку знає переважна кількість людей, серед яких і ті, чия діяльність жодним чином не пов'язана з фізикою елементарних частинок, і з наукою взагалі.

Справді, такий масштабний і дорогий проект не міг обійти стороною ЗМІ – кільцева установка довжиною майже 27 кілометрів, ціною десятка мільярдів доларів, з якою працює кілька тисяч наукових співробітників з усього світу. Неабиякий внесок у популярність колайдера зробила так звана «частка Бога» або бозон Хіггса, який був успішно розрекламований, і за який Пітер Хіггс отримав нобелівську премію з фізики у 2013 році.

Насамперед слід зазначити, що Великий адронний колайдер не будувався з нуля, а виник на місці свого попередника — Великого електрон-позитронного колайдера (Large Electron-Positron collider або LEP). Робота над 27-кілометровим тунелем розпочалася 1983-го року, де надалі планувалося розташувати прискорювач, який здійснюватиме зіткнення електроном та позитронів. У 1988-му році кільцевий тунель зімкнувся, при цьому робітники підійшли до проведення тунелю настільки ретельно, що розбіжність між двома кінцями тунелю становила лише 1 сантиметр.

Прискорювач пропрацював до кінця 2000 року, коли досяг свого піку – енергії в 209 ГеВ. Після цього розпочався його демонтаж. За одинадцять років своєї роботи LEP приніс фізиці низку відкриттів, серед яких – відкриття W та Z бозонів та їх подальші дослідження. На основі результатів цих досліджень було зроблено висновок про подібність механізмів електромагнітної та слабкої взаємодій, внаслідок чого почалися теоретичні роботи з об'єднання цих взаємодій у електрослабку.

У 2001-му році на місці електрон-позитронного прискорювача почалося будівництво Великого адронного колайдера. Будівництво нового прискорювача завершилося наприкінці 2007 року. Він розташовувався на місці LEP – на кордоні між Францією та Швейцарією, у долині Женевського озера (15 км від Женеви), на глибині ста метрів. У серпні 2008 року почалися випробування колайдера, а 10 вересня відбувся офіційний запуск БАКа. Як і у випадку з попереднім прискорювачем, будівництво та робота з установкою очолюється Європейською організацією з ядерних досліджень – ЦЕРН.

ЦЕРН

Коротко варто сказати про організацію CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ця організація виступає у ролі найбільшої світової лабораторії у сфері фізики високих енергій. Включає три тисячі постійних співробітників, і ще кілька тисяч дослідників та науковців із 80 країн беруть участь у проектах ЦЕРНу.

На даний момент учасниками проекту є 22 країни: Бельгія, Данія, Франція, Німеччина, Греція, Італія, Нідерланди, Норвегія, Швеція, Швейцарія, Великобританія – засновники, Австрія, Іспанія, Португалія, Фінляндія, Польща, Угорщина, Чехія, Словаччина, Болгарія і Румунія – ті, хто приєднався. Однак, як уже було сказано вище – ще кілька десятків країн так чи інакше беруть участь у роботі організації, і, зокрема, на Великому адронному колайдері.

Як працює Великий адронний колайдер?

Що таке Великий адронний колайдер і як він працює – основні питання, які цікавлять громадськість. Розглянемо ці питання далі.

Колайдер (collider) – у перекладі з англійської означає «той, хто зіштовхує». Завдання такої установки полягає у зіткненні частинок. У випадку з адронним колайдером, у ролі частинок виступають адрони – частки, що беруть участь у сильній взаємодії. Такими є протони.

Отримання протонів

Довгий шлях протонів бере свій початок у дуоплазматроні – першому ступені прискорювача, куди надходить водень у вигляді газу. Дуоплазматрон є розрядною камерою, де через газ проводиться електричний розряд. Так водень, що складається всього з одного електрона та одного протона, втрачає свій електрон. Таким чином утворюється плазма – речовина, що складається із заряджених частинок – протонів. Звичайно, отримати чисту протонну плазму складно, тому утворена плазма, що включає також хмару молекулярних іонів і електронів, проходить фільтрацію для виділення хмари протонів. Під впливом магнітів протонна плазма збивається в пучок.

Попередній розгін частинок

Новоутворений пучок протонів починає свій шлях в лінійному прискорювачі LINAC 2, який є 30-тиметровим кільцем, послідовно обвішаним кількома порожнистими циліндричними електродами (провідниками). Створюване всередині прискорювача електростатичне поле градуйовано таким чином, що частинки між порожнистими циліндрами завжди відчувають силу, що прискорює, у напрямку наступного електрода. Не заглиблюючись повністю в механізм розгону протонів на даному етапі, відзначимо лише, що на виході з LINAC 2 фізики отримують пучок протонів з енергією 50 МеВ, які досягають 31% швидкості світла. Примітно, що маса частинок зростає на 5%.

До 2019-2020 року планується заміна LINAC 2 на LINAC 4, який буде розганяти протони до 160 МеВ.

На колайдері також розганяють іони свинцю, які дозволять вивчити кварк-глюонну плазму. Їх розганяють у кільці LINAC 3, аналогічному LINAC 2. Надалі також плануються експерименти з аргоном та ксеноном.

Далі пакети протонів надходять у протон-синхронний бустер (PSB). Він складається з чотирьох накладених кілець діаметром 50 метрів, у яких розташовуються електромагнітні резонатори. Створюване ними електромагнітне поле має високу напруженість, і частка, що проходить через нього, отримує прискорення в результаті різниці потенціалів поля. Так всього через 1,2 секунди частки розганяються в PSB до 91% швидкості світла і досягають енергії в 1,4 ГеВ, після чого надходять в протонний-синхротрон (PS). Діаметр PS становить 628 метрів та оснащений 27 магнітами, що направляють пучок частинок по круговій орбіті. Тут частинок протони досягають 26 ГеВ.

Передостаннім кільцем для розгону протонів служить Суперпротонний-синхротрон (SPS), довжина кола якого сягає 7 кілометрів. Будучи оснащеним 1317 магнітами SPS розганяє частинки до енергії в 450 ГеВ. Приблизно через 20 хвилин пучок протонів потрапляє в основне кільце - Великий адронний колайдер (LHC).

Розгін та зіткнення частинок у LHC

Переходи між кільцями прискорювачів відбуваються у вигляді електромагнітних полів, створюваних потужними магнітами. Основне кільце колайдеро складається з двох паралельних ліній, в яких частинки рухаються кільцевою орбітою в протилежному напрямку. За збереження кругової траєкторії частинок та напрямок їх у точки зіткнення відповідають близько 10 000 магнітів, маса деяких із них досягає 27 тонн. Щоб уникнути перегріву магнітів використовується контур гелію-4, яким протікає приблизно 96 тонн речовини за нормальної температури -271,25 °З (1,9 До). Протони досягають енергії в 6,5 ТеВ (тобто енергія зіткнення – 13 ТеВ), при цьому їхня швидкість на 11 км/год менша за швидкість світла. Таким чином, за секунду пучок протонів проходить велике кільце колайдера 11 000 разів. Перш, ніж станеться зіткнення частинок, вони циркулюватимуть по кільцю від 5 до 24 годин.

Зіткнення частинок відбувається в чотирьох точках основного кільця LHC, в яких розташовуються чотири детектори: ATLAS, CMS, ALICE і LHCb.

Детектори Великого адронного колайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

- є одним із двох детекторів загального призначення на Великому адронному колайдері (LHC). Він досліджує широкий спектр фізики: від пошуку бозона Хіггса до частинок, які можуть становити чорну матерію. Хоча він має ті ж наукові цілі, як і експеримент CMS, ATLAS використовує інші технічні рішення та іншу конструкцію магнітної системи.

Пучки частинок LHC зіштовхуються в центрі детектора ATLAS, утворюючи зустрічні уламки у вигляді нових частинок, які вилітають з точки зіткнення в усіх напрямках. Шість різних підсистем, що детектують, розташованих у шарах навколо точки зіткнення, записують шляхи, імпульс і енергію частинок, дозволяючи їх індивідуально ідентифікувати. Величезна система магнітів викривляє шляхи заряджених частинок, тому їх імпульси можна виміряти.

Взаємодії у детекторі ATLAS створюють величезний потік даних. Щоб обробити ці дані, ATLAS використовує розширену «тригерну» систему, що дозволяє повідомляти детектору, які записувати, а які ігнорувати. Потім для аналізу зареєстрованих подій зіткнення використовуються складні системи збирання даних та обчислення.

Детектор має висоту 46 метрів та ширину – 25 метрів, при цьому його маса складає 7 000 тонн. Ці параметри робить ATLAS найбільшим детектором часток, коли-небудь створеним. Він знаходиться в тунелі на глибині 100 м поблизу головного об'єкту ЦЕРН, неподалік села Мейрін у Швейцарії. Установка складається з 4 основних компонентів:

• Внутрішній детектор має циліндричну форму, внутрішнє кільце знаходиться всього за кілька сантиметрів від осі проходить пучка частинок, а зовнішнє кільце має діаметр 2,1 метра і довжину 6,2 метра. Він складається із трьох різних систем датчиків, занурених у магнітне поле. Внутрішній детектор вимірює напрямок, імпульс та заряд електрично заряджених частинок, що утворюються при кожному протон-протонному зіткненні. Основні елементи внутрішнього детектора: піксельний детектор (Pixel Detector), напівпровідникова система стеження (Semi-Conductor Tracker, SCT) та трековий детектор перехідного випромінювання (Transition radiation tracker, TRT).

• Калориметри вимірюють енергію, яку частка втрачає, коли проходить через детектор. Він поглинає частинки, що виникають при зіткненні, тим самим фіксую їхню енергію. Калориметри складаються з шарів "поглинаючого" матеріалу з високою щільністю - свинцю, що чергується з шарами "активного середовища" - рідкого аргону. Електромагнітні калориметри вимірюють енергію електронів та фотонів при взаємодії з речовиною. Адронні калориметри вимірюють енергію адронів під час взаємодії з атомними ядрами. Калориметри можуть зупиняти більшість відомих частинок, крім мюонів та нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) – калориметр ATLAS

• Мюонний спектрометр – складається з 4000 індивідуальних мюонних камер, що використовують чотири різні технології, що дозволяють ідентифікувати мюони та виміряти їх імпульси. Мюони зазвичай проходять через внутрішній детектор і калориметр, тому потрібна наявність мюонного спектрометра.

• Магнітна система ATLAS згинає частинки навколо різних шарів детекторних систем, що полегшує відстеження треків частинок.

В експерименті ATLAS (лютий 2012 р.) працюють понад 3 000 вчених із 174 інститутів із 38 країн.

CMS (Compact Muon Solenoid)

є детектором загального призначення на Великому адронному колайдері (LHC). Як і ATLAS, має широку фізичну програму, починаючи від вивчення стандартної моделі (включно з бозоном Хіггса) до пошуку частинок, які можуть становити темну матерію. Хоча він має ті ж наукові цілі, що й експеримент ATLAS, CMS використовує інші технічні рішення та іншу конструкцію магнітної системи.

Детектор CMS побудований довкола величезного магніту соленоїда. Є циліндричною котушкою надпровідного кабелю, яка генерує поле в 4 тесла, що приблизно в 100 000 разів перевищує магнітне поле Землі. Поле обмежене сталевим «хамутом», що є найпотужнішим компонентом детектора, маса якого – 14 000 тонн. Повний детектор має довжину - 21 м, ширину - 15 м і висоту - 15 м. Установка складається з 4 основних компонентів:

• Магніт соленоїда - найбільший магніт у світі, який служить для вигину траєкторії заряджених частинок, що вилітають із точки зіткнення. Спотворення траєкторії дозволяє розрізнити позитивно і негативно заряджені частинки (оскільки вони згинаються в протилежних напрямках), а також виміряти імпульс, величина якого залежить від кривизни траєкторії. Величезні розміри соленоїда дозволяють розташувати трекер та калориметри всередині котушки.
• Кремнієвий трекер складається з 75 мільйонів окремих електронних датчиків, розташованих у концентричних шарах. Коли заряджена частка пролітає через шари трекера, вона передає частину енергії кожному шару, об'єднання цих точок зіткнення частинки з різними шарами дозволяє надалі визначити її траєкторію.
• Калориметри – електронний та адронний див. калориметри ATLAS.
• Саб-детектори дозволяють детектувати мюони. Представлені 1 400 мюонними камерами, які розташовуються шарами поза котушки, чергуючись з металевими пластинами «хамута».

Експеримент CMS є одним із найбільших міжнародних наукових досліджень в історії, в якому беруть участь 4300 осіб: фізики в галузі елементарних частинок, інженери та техніки, студенти та допоміжний персонал із 182 інститутів, 42 країн (лютий 2014 року).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— є детектором важких іонів на кільцях великого адронного колайдера (LHC). Він призначений для вивчення фізики сильно взаємодіючої речовини при екстремальних густинах енергії, де утворюється фаза речовини, яка називається кварк-глюонною плазмою.

Вся звичайна матерія в сьогоднішньому всесвіті складається з атомів. Кожен атом містить ядро, що складається з протонів і нейтронів (крім водню, що не має нейтронів), оточеного хмарою електронів. Протони та нейтрони, у свою чергу, складаються з кварків, пов'язаних разом з іншими частинками, які називаються глюонами. Ніякий кварк ніколи не спостерігався ізольовано: кварки, а також глюони, мабуть, постійно пов'язані разом та обмежені всередині складових частинок, таких як протони та нейтрони. Це називається конфайнментом.

Зіткнення в LHC створюють температури більш ніж 100 000 разів гарячіше, ніж у центрі Сонця. Коллайдер забезпечує зіткнення між свинцевими іонами, відтворюючи умови, аналогічні тим, що мали місце одразу після Великого Вибуху. У цих екстремальних умовах протони і нейтрони «розплавляються», звільняючи кварки від зв'язків із глюонами. Це і є кварк-глюонна плазма.

В експерименті ALICE використовується детектор ALICE масою 10 000 тонн, 26 м завдовжки, 16 м заввишки і 16 м завширшки. Пристрій складається з трьох основних комплектів компонентів: трекінгових пристроїв, калориметрів та детекторів-ідентифікаторів частинок. Також його поділяють на 18 модулів. Детектор знаходиться в тунелі на глибині 56 м під недалеко від села Сент-Деніс-Пуї у Франції.

Експеримент налічує понад 1 000 вчених із понад 100 інститутів фізики в 30 країнах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

- В рамках експерименту проводиться дослідження невеликих відмінностей між речовиною та антиматерією, вивчаючи тип частки, званий б'юті-кварк або b-кварк.

Замість того, щоб оточувати всю точку зіткнення за допомогою закритого детектора, як ATLAS і CMS, експеримент LHCb використовує серію сабдетекторів для виявлення переважно передніх частинок - тих, які були спрямовані вперед внаслідок зіткнення в одному напрямку. Перший сабдетектор встановлений близько до точки зіткнення, а решта один за одним на відстані 20 метрів.

На LHC створюється велика кількість різних типів кварків, перш ніж вони швидко розпадаються на інші форми. Щоб зловити b-кварки, для LHCb були розроблені складні детектори, що рухаються стежать, розташовані поблизу руху пучка частинок по колайдеру.

5600-тонний детектор LHCb складається з прямого спектрометра та плоских детекторів. Це 21 метр завдовжки, 10 метрів заввишки та 13 метрів завширшки, він знаходиться на глибині 100 метрів під землею. Близько 700 вчених із 66 різних інститутів та університетів залучені до експерименту LHCb (жовтень 2013 р.).

Інші експерименти на колайдері

Крім перерахованих вище експериментів на Великому адронному колайдері є інші два експерименти з установками:

• LHCf (Large Hadron Collider forward)- Вивчає частинки, викинуті вперед після зіткнення пучків частинок. Вони імітують космічні промені, дослідженням яких займаються вчені в рамках експерименту. Космічні промені - це природні заряджені частинки з космічного простору, які постійно бомбардують земну атмосферу. Вони стикаються з ядрами у верхній атмосфері, викликаючи каскад частинок, що досягають рівня землі. Вивчення того, як зіткнення всередині LHC викликають подібні каскади частинок, допоможе фізикам інтерпретувати та відкалібрувати великомасштабні експерименти з космічними променями, які можуть охоплювати тисячі кілометрів.

LHCf складається з двох детекторів, які розташовані вздовж LHC, на відстані 140 метрів з обох сторін він точки зіткнення ATLAS. Кожен із двох детекторів важить всього 40 кілограмів і має розміри 30 см завдовжки, 80 см заввишки та 10 см завширшки. В експерименті LHCf беруть участь 30 вчених із 9 інститутів у 5 країнах (листопад 2012 р.).

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation)– експеримент із найдовшою установкою на колайдері. Його завданням є дослідження самих протонів шляхом точного вимірювання протонів, що виникають при зіткненнях під малими кутами. Ця область відома як "прямий" напрямок і недоступна іншим експериментам LHC. Детектори TOTEM поширюються майже півкілометра навколо точки взаємодії CMS. TOTEM має майже 3 000 кг обладнання, у тому числі чотири ядерні телескопи, а також 26 детекторів типу «римський горщик». Останній тип дозволяє розмістити детектори максимально близько до пучка частинок. Експеримент TOTEM включає близько 100 вчених із 16 інститутів у 8 країнах (серпень 2014 року).

Навіщо потрібний Великий адронний колайдер?

Найбільша міжнародна наукова установка досліджує широкий спектр фізичних завдань:

• Вивчення топ-кварків. Дана частка є не тільки найважчим кварком, а й найважчою елементарною частинкою. Дослідження властивостей топ-кварка також має сенс, тому що він є інструментом дослідження.
• Пошук та вивчення бозона Хіггса. Хоча ЦЕРН стверджує, що бозон Хіггса був уже виявлений (у 2012-му році), поки що про його природу відомо зовсім небагато і подальші дослідження могли б внести велику ясність у механізм його роботи.

• Вивчення кварк-глюонної плазми. При зіткненнях ядер свинцю на високих швидкостях – у колайдері утворюється . Її дослідження може принести результати, корисні як для ядерної фізики (поліпшення теорії сильних взаємодій), так і для астрофізики (вивчення Всесвіту в її перші моменти існування).
• Пошук суперсиметрії. Це дослідження спрямоване на спростування чи доказ «суперсиметрії» — теорії, за якою будь-яка елементарна частка має важчого партнера, званого «суперчастинкою».
• Дослідження фотон-фотонних та фотон-адронних зіткнень. Дозволить покращити розуміння механізмів процесів подібних зіткнень.
• Перевірка екзотичних теорій. До цієї категорії завдань належать найнетрадиційніші – «екзотичні», наприклад, пошук паралельних всесвітів за допомогою створення міні-чорних дірок.

Крім цих завдань, існує ще безліч інших, вирішення яких також дозволить людству розуміти природу і навколишній світ на якіснішому рівні, що у свою чергу відкриє можливості для створення нових технологій.

Практична користь Великого адронного колайдера та фундаментальної науки

Насамперед, слід зазначити, що фундаментальні дослідження роблять внесок у фундаментальну науку. Застосуванням цих знань займається прикладна наука. Сегмент суспільства, не обізнаний у користі фундаментальної науки, часто не сприймає відкриття бозона Хіггса або створення кварк-глюонної плазми, як щось значуще. Зв'язок подібних досліджень із життям пересічної людини – неочевидний. Розглянемо короткий приклад з атомною енергетикою:

У 1896 році французький фізик Антуан Анрі Беккерель відкрив явище радіоактивності. Довгий час вважалося, що її промислового використання людство перейде нескоро. Усього за п'ять років до запуску першого в історії ядерного реактора великий фізик Ернест Резерфорд, який власне відкрив атомне ядро ​​в 1911 році, говорив, що атомна енергія ніколи не знайде свого застосування. Переосмислити своє ставлення до енергії, укладеної в ядрі атома, фахівцям вдалося в 1939 році, коли німецькі вчені Ліза Мейтнер та Отто Ган виявили, що ядра урану при опроміненні їх нейтронами поділяються на дві частини з виділенням величезної кількості енергії – ядерної енергії.

І лише після цієї останньої ланки ряду фундаментальних досліджень у гру вступила прикладна наука, яка на основі цих відкриттів винайшла пристрій для отримання ядерної енергії – атомний реактор. Масштаб відкриття можна оцінити, ознайомившись із часткою вироблення електроенергії атомними реакторами. Так в Україні, наприклад, на АЕС випадає 56% вироблення електроенергії, а у Франції – 76%.

Усі нові технології ґрунтуються на тих чи інших фундаментальних знаннях. Наведемо ще кілька коротких прикладів:

• У 1895 році Вільгельм Конрад Рентген зауважив, що під дією рентгенівського випромінювання фотопластинка затемняється. Сьогодні рентгенографія – одне з найбільш застосовуваних досліджень у медицині, що дозволяє вивчити стан внутрішніх органів та виявити інфекції та опухали.
• У 1915-му році Альберт Ейнштейн запропонував свою . Сьогодні ця теорія враховується під час роботи GPS супутників, які визначають розташування об'єкта з точністю до декількох метрів. GPS застосовується у стільниковому зв'язку, картографії, моніторингу транспорту, але в першу чергу – у навігації. Похибка супутника, що не враховує ОТО, з моменту запуску зростала б на 10 кілометрів на день! І якщо пішохід може скористатися розумом та паперовою картою, то пілоти авіалайнера потраплять у скрутну ситуацію, оскільки орієнтуватися хмарами – неможливо.

Якщо сьогодні практичне застосування відкриттям, що відбулися на LHC, ще не знайдено – це не означає, що вчені «возяться на колайдері даремно». Як відомо, людина розумна завжди має намір отримати максимум практичного застосування з наявних знань, а тому знання про природу, накопичені в процесі дослідження на ВАК, безперечно знайдуть своє застосування, рано чи пізно. Як уже було продемонстровано вище – зв'язок фундаментальних відкриттів і технологій, що їх використовують, іноді може бути зовсім не очевидним.

Насамкінець, відзначимо так звані непрямі відкриття, які не ставляться як початкові цілі дослідження. Вони зустрічаються досить часто, тому що для здійснення фундаментального відкриття зазвичай потрібно впровадження і використання нових технологій. Так розвиток оптики отримав поштовх від фундаментальних досліджень космосу, що будуються на спостереженнях астрономів через телескоп. У випадку з ЦЕРН - так виникла технологія, що повсюдно застосовується - Інтернет, проект, запропонований Тімом Бернерсом-Лі в 1989-му році для полегшення пошуку даних організації ЦЕРН.