что такое магнитный коллайдер

Большой адронный коллайдер: назначение, открытия и мифы

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).

10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.

Как выглядит Большой адронный коллайдер

Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.

Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.

Как работает Большой адронный коллайдер

Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.

БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.

Откуда берутся протоны в для столкновения?

Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.

БАК состоит из трёх основных частей:

Зачем нужен Большой адронный коллайдер

С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.

Какие открытия совершили на БАК

На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.

Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.

С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.

Может ли коллайер уничтожить Землю

С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.

Есть две причины, чтобы не волноваться.

Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!

Источник

Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?

Что это такое?

Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц, построенный с участием 10 тыс. ученых из 100 стран мира. В коллайдере, длина которого около 100 километров, а диаметр превышает 25 километров, учёные «гоняют» частицы в попытке обнаружить новые и ранее неизученные свойства элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.

Найденный в 2012 году Бозон Хиггса — частица, которой, фактически, связываются электроны, протоны и нейтроны, простому обывателю не даст ничего. Но это пока. В перспективе Бозон Хиггса поможет создать новые системы связи и квантовые компьютеры, работа над которыми, к слову, уже началась.

Расширенное понимание природы и свойств Бозона Хиггса позволит создавать уникальные для техники будущего решения. Например, квантовый интернет с нулевой задержкой (пингом), который будет работать даже на Луне, или принципиально новые суперкомпьютеры, с помощью которых получится найти эффективное лекарство от рака или метод взрыва астероида, который угрожает Земле.

Антивещество – главная мечта ученых в ЦЕРН

Другое направление работ на Большом адронном коллайдере — поиск и «наработка» антиматерии — вещества с потенциально неисчерпаемым источником энергии. Антиматерия — это то, что возникло почти сразу после Большого взрыва и затем бесследно исчезло, оставив учёным лишь след из хлебных крошек.

Принцип получения антиматерии объяснять нет смысла — он слишком сложен для понимания даже тем, кто разбирается в точных науках, но про потенциальное применение антиматерии поговорить всё-таки стоит. В 2010 году учёные из ЦЕРН пояснили, что потенциально антиматерия обладает огромным запасом энергии. Если допустить, что двигатель, основанный на взаимодействии (или, точнее, противодействии) материи и антиматерии поместить в космический корабль, то незначительного количества вещества, нескольких миллиграммов, будет достаточно для полета хотя бы к краю Солнечной системы и возвращения.

Тот же самый принцип и с обычными высокопроизводительными реакторами. Искусственное получение антиводорода, к примеру, считают вменяемой, пусть и очень дорогой альтернативой пока нереализованным видам энергетики, таких, как термоядерный синтез.

БАК очень интересовал армию США, но никто не знает – почему

Известно, что через ведущие НИИ США DARPA заказывало разработку специальных детекторов для коллайдера и в ведомстве живо интересовались результатами работ по этой теме. Что именно интересовало американских военных сказать сложно, однако американские вузы, тесно связанные с DARPA, а также Министерство энергетики США, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Национальный научный фонд будут активно участвовать и в другой, более крупной программе.

Через несколько лет на том же месте, где сейчас находится Большой адронный коллайдер, начнётся строительство суперколлайдера нового типа. В новом ускорителе частиц энергия столкновения должна увеличиться до 100 тераэлектронвольт (ТэВ), при том, что сейчас получают 14 ТэВ. Официально декларируется и цель — поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц.

К чему приведут такие эксперименты сказать сложно. Физики считают, что включение в «крайние режимы» маловероятно, однако в действительности увеличение мощности суперколлайдера на несколько порядков может привести либо к трагедии, либо к получению супероружия. В 2008 году двое американцев даже пытались засудить Минэнерго США за участие в разгоне субатомных частиц до 99,99% скорости света.

Источник

Как тренируют магниты

Срыв сверхпроводимости

В экспериментах на адронных коллайдерах физики стремятся достичь как можно большей энергии протонов. Чем больше энергия, тем более тяжелые частицы можно открыть, тем более тонкие эффекты Новой физики станут доступны для наблюдения и тем более вероятными становятся редкие процессы. Для ускорительной техники разогнать частицы до сверхбольших энергий — не проблема. Главная трудность — удержать такие частицы на орбите внутри ускорительного кольца. Отвечают за это дипольные магниты (рис. 1), которые с помощью сильного магнитного поля отклоняют пролетающий сгусток частиц на небольшой угол. Много таких магнитов, выставленных вдоль траектории, и удерживают частицы на орбите.

Рис. 1. Дипольные магниты — критически важные компоненты Большого адронного коллайдера и вместе с тем одни из самых сложных в изготовлении и обслуживании. Для поднятия энергии протонов почти до проектного значения потребовалась длительная кампания по тренировке магнитов. Изображение с сайта web.cern.ch

В Большом адронном коллайдере вдоль всего 27-километрового ускорительного кольца стоят 1232 дипольных магнита. Они были изготовлены с таким расчетом, чтобы при охлаждении до температуры 1,9 K держать ток 12 килоампер, создавая тем самым магнитное поле индукции 8,3 тесла, что отвечает протонам с энергией 7 ТэВ. Магниты эти — сверхпроводящие, поэтому ток в обмотках циркулирует не затухая, и никаких потерь энергии при этом не происходит. Однако 12 кА — это лишь расчетное значение тока. Когда магниты прибывают на место и включаются в работу, то выясняется, что они столь сильный ток держать не могут — в них происходит срыв сверхпроводимости (в английской терминологии — quench). В каком-то месте обмотки металл переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние с ненулевым сопротивлением и под действием сильного тока резко нагревается. Вся запасенная в магните энергия — а это 7 МДж — готова тут же, за долю секунды, выделиться в виде тепла. Если бы не специальная предохраняющая система, которая в экстренной ситуации принимает на себя весь «энергетический удар», электромагнит попросту разрушился бы.

Благодаря защитной системе срыв сверхпроводимости не является критическим событием, но, тем не менее, он неприятен по двум причинам. Во-первых, он не позволяет техникам поднять до расчетного значения силу тока, а значит, и энергию протонов. Именно поэтому во время первого трехлетнего сеанса работы LHC энергия протонов составляла лишь половину проектной — 4 ТэВ против расчетных 7 ТэВ. Оказалось, что некоторые магниты просто не были готовы к тому, чтобы держать в себе 12 кА.

Возможно, энергию протонов можно было бы поднять еще чуть-чуть, но тут возникает вторая проблема. Магнит слишком долго «приходит в себя» после каждого события срыва сверхпроводимости. На рис. 2 наглядно показано, как восстанавливается цепочка магнитов после срыва. Во время тестов в секторе 67 при токе почти 11 кА произошел срыв сразу в нескольких магнитах. Полное энерговыделение в этом событии составило 23,5 МДж (достаточно, чтобы моментально испарить несколько килограммов меди). Благодаря защитной системе температура в магнитах подскочила только на пару десятков градусов, механические напряжения — до десятков атмосфер. Магниты затем вновь были охлаждены и наполнены сверхтекучим гелием, но занял этот процесс 10 часов!

Рис. 2. Типичный цикл восстановления магнита после потери сверхпроводимости. Вверху: красным выделены магниты, в которых произошел срыв; указан также их ток и полное энерговыделение. Внизу: графики температуры магнитов (в кельвинах) и механического давления (в атмосферах) в зависимости от времени. Изображение с сайта indico.cern.ch

Становится понятно, что даже если срывы сверхпроводимости не являются фатальными, очень желательно минимизировать их количество. Ведь каждый срыв во время работы коллайдера приводит к экстренному сбросу пучка, охлаждению магнитов, за которым последует новый цикл подготовки и ускорения пучка, и только потом возобновятся столкновения. В результате будут потеряны примерно сутки рабочего времени. Так что, если срывы начнут случаться раз в неделю или чаще, это существенно сократит рабочее время ускорителя. Значит, для эффективной работы требуется, чтобы магниты работали не на пределе, а могли держать чуть больший ток, чем требуется для работы, и тогда в нормальной ситуации они вообще не должны срываться.

Тренировка магнитов

Тот факт, что сверхпроводящий магнит, изготовленный с расчетом на определенный ток, в реальности его не держит, — это нормальная ситуация. Зато после изготовления эти магниты можно натренировать так, чтобы они держали ток вплоть до расчетного.

Дело в том, что при изготовлении магнитов всегда возникают микроскопические неоднородности материала или чуть-чуть смещаются провода при намотке. Эти отклонения от идеала приводят к тому, что магнитное поле внутри не однородно, а где-то чуть больше, где-то чуть меньше. К тому же при повышении тока в магните возникают сильные механические напряжения, которые слегка деформируют материал, и эта энергия деформации может локально выбрасываться в форме небольшого тепловыделения. В результате в отдельных местах магнитное поле может превысить критическое даже тогда, когда ток в магните еще далек от расчетного. В этот момент и наступает срыв сверхпроводимости.

Тренировка магнита — это аккуратное прохождение нескольких циклов повышения тока вплоть до срыва сверхпроводимости. Опыт показывает, что после каждого срыва магнит слегка «исправляется» и на следующем цикле он может держать чуть больший ток, чем до этого. Микроскопический механизм этого процесса исследован не до конца, но, в общих словах, во время каждого цикла материал внутри магнита чуть смещается, зоны напряжения рассасываются, что и оптимизирует магнитное поле. Типичный пример эволюции магнитов показан на рис. 3 на примере сектора 6–7. За 20 циклов нагрузки и срыва максимальный ток поднялся примерно на 10% и достиг цели 11 кА, отвечающей пучкам 6,5 ТэВ.

Источник

Устройство LHC

Ускоритель — это установка для разгона пучков элементарных частиц; коллайдер — это такой тип ускорителя, в котором разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. В русскоязычной терминологии коллайдер называют также ускорителем на встречных пучках.

С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела — он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц — специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо». На этой страничке рассказывается именно об устройстве ускорительного кольца LHC.

Общий вид

LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рис. 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.

Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.

Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных — ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора — TOTEM и LHCf.

В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.

Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.

Магнитная система LHC

Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем.

На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя. Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы. Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты.

Инжекционный комплекс

Протоны поступают в LHC из предварительного ускорителя SPS («Протонного суперсинхротрона»). Имеются две линии передачи пучка, которые отходят от SPS в двух местах и подходят к ускорительному кольцу LHC вблизи точек 2 и 8 (эти линии называются Tl2 и Tl8). Инжекционный комплекс — это сложное инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC.

Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции протонов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам.

Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Полный ускорительный комплекс ЦЕРНа описан на странице CERN accelerator complex (см. также краткую схему на рис. 2). Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов.

Ускорительная секция

Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4.

Резонатор представляет собой полую металлическую камеру сложной формы (см. рис. 3), внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед.

Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает. Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц. Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии. Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой.

Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах — ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса.

Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.

Система сброса пучка

Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя.

Всем этим занимается специальная система сброса пучка, установленная в точке 6. В ней размещены специальные быстрые магниты, которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).

Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности

Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10 –13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.

Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой.

Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле. Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр!

Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.

В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков — «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру. Например, локальное энерговыделение всего в несколько сотых долей джоуля на кубический сантиметр способно вызвать переход поворотного магнита из сверхпроводящего в нормальное состояние, что приведет к срочному сбросу пучка.

Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки — «челюсти» коллиматора. Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны — они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами.

Источник