Karte mit der Position des Colliders darauf eingezeichnet

Um grundlegende Wechselwirkungen in einer Theorie weiter zu vereinen, werden verschiedene Ansätze verwendet: Stringtheorie, die in der M-Theorie (Brane-Theorie) entwickelt wurde, Supergravitationstheorie, Schleifenquantengravitation usw. Einige von ihnen haben interne Probleme, und keiner von ihnen hat experimentelle Bestätigung. Das Problem: Um die entsprechenden Experimente durchzuführen, werden Energien benötigt, die an modernen Teilchenbeschleunigern nicht erreichbar sind.

Der LHC wird Experimente ermöglichen, die bisher unmöglich waren, und wahrscheinlich einige dieser Theorien bestätigen oder widerlegen. Es gibt also eine ganze Reihe physikalischer Theorien mit Dimensionen größer als vier, die auf die Existenz von „Supersymmetrie“ hindeuten – zum Beispiel die Stringtheorie, die manchmal als Superstringtheorie bezeichnet wird, gerade weil sie ohne Supersymmetrie ihre physikalische Bedeutung verliert. Die Bestätigung der Existenz von Supersymmetrie wäre somit eine indirekte Bestätigung der Wahrheit dieser Theorien.

Studium der Top-Quarks

Baugeschichte

27 km langer unterirdischer Tunnel zur Unterbringung des LHC-Boosters

Die Idee für das Large Hadron Collider-Projekt wurde 1984 geboren und zehn Jahre später offiziell genehmigt. Sein Bau begann im Jahr 2001, nachdem die Arbeiten des vorherigen Beschleunigers - des Large Electron-Positron Collider - abgeschlossen waren.

Der Beschleuniger soll Protonen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV (also 14 Teraelektronenvolt oder 14 10 12 Elektronenvolt) im Schwerpunktsystem der einfallenden Teilchen zur Kollision bringen, sowie Bleikerne mit einer Energie von 5,5 GeV ( 5,5 10 9 Elektronenvolt) für jedes Paar kollidierender Nukleonen. Damit wird der LHC der energiereichste Elementarteilchenbeschleuniger der Welt sein und seine engsten energetischen Konkurrenten – den Proton-Antiproton-Beschleuniger Tevatron, der derzeit am National Accelerator Laboratory betrieben wird – um eine Größenordnung übertreffen. Enrico Fermi (USA) und der RHIC Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven Laboratory (USA).

Der Beschleuniger befindet sich in demselben Tunnel, in dem sich früher der Large Electron-Positron Collider befand. Der Tunnel mit einem Umfang von 26,7 km wurde in Frankreich und der Schweiz in einer Tiefe von etwa hundert Metern unter der Erde verlegt. Um Protonenstrahlen einzudämmen und zu korrigieren, werden 1624 supraleitende Magnete verwendet, deren Gesamtlänge 22 km übersteigt. Die letzte wurde am 27. November 2006 im Tunnel installiert. Die Magnete funktionieren bei 1,9 K (-271 °C). Der Bau einer speziellen Tieftemperaturlinie für Kühlmagnete wurde am 19. November 2006 abgeschlossen.

Tests

Technische Eigenschaften

Der Prozess der Teilchenbeschleunigung in einem Collider

Die Geschwindigkeit von Teilchen im LHC bei kollidierenden Strahlen ist nahe der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Beschleunigung von Teilchen auf solch hohe Geschwindigkeiten wird in mehreren Stufen erreicht. In der ersten Stufe injizieren Niedrigenergie-Linearbeschleuniger Linac 2 und Linac 3 Protonen und Bleiionen zur weiteren Beschleunigung. Dann treten die Teilchen in den PS-Booster und dann in das PS (Protonen-Synchrotron) selbst ein und erhalten eine Energie von 28 GeV. Danach setzt sich die Teilchenbeschleunigung im SPS (Proton Super Synchrotron) fort, wo die Teilchenenergie 450 GeV erreicht. Dann wird der Strahl auf den 26,7 Kilometer langen Hauptring gelenkt und an den Kollisionspunkten zeichnen die Detektoren die stattfindenden Ereignisse auf.

Energieverbrauch

Während des Betriebs des Colliders wird der geschätzte Energieverbrauch 180 MW betragen. Geschätzte Energiekosten für den gesamten Kanton Genf. CERN erzeugt selbst keinen Strom, nur mit Standby-Dieselgeneratoren.

Verteiltes Rechnen

Zur Steuerung, Speicherung und Verarbeitung von Daten, die vom LHC-Beschleuniger und den Detektoren kommen, wird ein verteiltes Rechennetzwerk LCG geschaffen. L HC C Berechnung G LOSWERDEN ) mit Grid-Technologie. Für bestimmte Rechenaufgaben wird ein verteiltes Rechenprojekt beteiligt sein [E-Mail geschützt].

Unkontrollierte physikalische Prozesse

Einige Experten und Mitglieder der Öffentlichkeit äußern ihre Besorgnis darüber, dass die im Collider durchgeführten Experimente mit einer Wahrscheinlichkeit ungleich Null außer Kontrolle geraten und eine Kettenreaktion entwickeln, die unter bestimmten Bedingungen theoretisch den gesamten Planeten zerstören könnte. Die Sicht der Befürworter von Katastrophenszenarien im Zusammenhang mit dem Betrieb des LHC wird auf einer eigenen Website dargestellt. Aufgrund dieser Gefühle wird der LHC manchmal entziffert als Letzte Hadron Collider ( Letzte Hadron Collider).

In diesem Zusammenhang wird am häufigsten die theoretische Möglichkeit des Auftretens mikroskopisch kleiner Schwarzer Löcher im Collider sowie die theoretische Möglichkeit der Bildung von Antimaterieklumpen und magnetischen Monopolen, gefolgt von einer Kettenreaktion des Einfangens der umgebenden Materie, erwähnt.

Diese theoretischen Möglichkeiten wurden von einer speziellen CERN-Gruppe geprüft, die einen entsprechenden Bericht erstellte, in dem alle diese Befürchtungen als unbegründet anerkannt wurden. Der englische theoretische Physiker Adrian Kent hat einen wissenschaftlichen Artikel veröffentlicht, in dem er die Sicherheitsstandards des CERN kritisiert, weil der zu erwartende Schaden, also das Produkt aus der Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses und der Zahl der Opfer, seiner Meinung nach nicht akzeptabel ist. Die maximale obere Schätzung der Wahrscheinlichkeit eines Katastrophenszenarios am LHC beträgt jedoch 10 -31 .

Als Hauptargumente für die Bodenlosigkeit von Katastrophenszenarien wird auf die Tatsache verwiesen, dass die Erde, der Mond und andere Planeten ständig von Strömen kosmischer Teilchen mit viel höheren Energien bombardiert werden. Auch der erfolgreiche Betrieb bereits in Betrieb genommener Beschleuniger wird erwähnt, darunter der Relativistic Heavy Ion Collider RHIC in Brookhaven. Die Möglichkeit der Entstehung mikroskopisch kleiner Schwarzer Löcher wird von CERN-Spezialisten nicht geleugnet, es wird jedoch festgestellt, dass solche Objekte in unserem dreidimensionalen Raum nur bei Energien erscheinen können, die 16 Größenordnungen höher sind als die Energie der Strahlen im LHC . Hypothetisch können mikroskopisch kleine Schwarze Löcher in Experimenten am LHC in den Vorhersagen von Theorien mit zusätzlichen räumlichen Dimensionen auftauchen. Solche Theorien haben noch keine experimentellen Beweise. Doch selbst wenn Schwarze Löcher durch Teilchenkollisionen im LHC entstehen, dürften sie aufgrund der Hawking-Strahlung extrem instabil sein und fast augenblicklich in Form gewöhnlicher Teilchen verdampfen.

Am 21. März 2008 reichte Walter Wagner Klage beim Federal District Court of Hawaii (USA) ein. Walter L. Wagner) und Luis Sancho (dt. Luis Sancho), in der sie das CERN beschuldigen, versucht zu haben, das Ende der Welt zu arrangieren, und fordern, dass der Start des Colliders verboten wird, bis seine Sicherheit gewährleistet ist.

Vergleich mit natürlichen Geschwindigkeiten und Energien

Der Beschleuniger soll Teilchen wie Hadronen und Atomkerne zur Kollision bringen. Es gibt jedoch natürliche Teilchenquellen, deren Geschwindigkeit und Energie viel höher sind als im Collider (siehe: Zevatron). Solche natürlichen Teilchen findet man in der kosmischen Strahlung. Die Oberfläche des Planeten Erde ist teilweise vor diesen Strahlen geschützt, aber beim Durchgang durch die Atmosphäre kollidieren Teilchen der kosmischen Strahlung mit Atomen und Molekülen der Luft. Als Ergebnis dieser natürlichen Kollisionen werden viele stabile und instabile Teilchen in der Erdatmosphäre geboren. Dadurch ist der natürliche Strahlungshintergrund seit vielen Millionen Jahren auf dem Planeten vorhanden. Das gleiche (Kollision von Elementarteilchen und Atomen) wird auch im LHC stattfinden, aber mit geringeren Geschwindigkeiten und Energien und in viel kleineren Mengen.

mikroskopisch kleine Schwarze Löcher

Wenn bei der Kollision von Elementarteilchen Schwarze Löcher entstehen können, werden sie gemäß dem Prinzip der CPT-Invarianz, das eines der grundlegendsten Prinzipien der Quantenmechanik ist, auch in Elementarteilchen zerfallen.

Wenn außerdem die Hypothese der Existenz stabiler schwarzer Mikrolöcher zutrifft, dann würden sie in großen Mengen durch den Beschuss der Erde durch kosmische Elementarteilchen entstehen. Aber die meisten hochenergetischen Elementarteilchen, die aus dem Weltraum kommen, sind elektrisch geladen, also wären einige Schwarze Löcher elektrisch geladen. Diese geladenen Schwarzen Löcher würden vom Magnetfeld der Erde eingefangen und hätten, wenn sie wirklich gefährlich wären, die Erde längst zerstört. Der Schwimmer-Mechanismus, der Schwarze Löcher elektrisch neutral macht, ist dem Hawking-Effekt sehr ähnlich und kann nicht funktionieren, wenn der Hawking-Effekt nicht funktioniert.

Außerdem würden alle schwarzen Löcher, geladen oder elektrisch neutral, von Weißen Zwergen und Neutronensternen (die wie die Erde von kosmischer Strahlung bombardiert werden) eingefangen und zerstört. Infolgedessen wäre die Lebensdauer von Weißen Zwergen und Neutronensternen viel kürzer als tatsächlich beobachtet. Außerdem würden zerstörbare Weiße Zwerge und Neutronensterne zusätzliche Strahlung abgeben, die eigentlich nicht beobachtet wird.

Schließlich widersprechen Theorien mit zusätzlichen räumlichen Dimensionen, die die Entstehung mikroskopisch kleiner Schwarzer Löcher vorhersagen, experimentellen Daten nur dann nicht, wenn die Anzahl der zusätzlichen Dimensionen mindestens drei beträgt. Aber bei so vielen zusätzlichen Dimensionen müssen Milliarden von Jahren vergehen, bevor ein Schwarzes Loch der Erde nennenswerten Schaden zufügt.

Strapelki

Eduard Boos, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften vom Forschungsinstitut für Kernphysik der Moskauer Staatsuniversität, vertritt gegensätzliche Ansichten und leugnet das Auftreten makroskopischer schwarzer Löcher am LHC und folglich von „Wurmlöchern“ und Zeitreisen.

Anmerkungen

  1. Der ultimative Leitfaden zum LHC (Englisch) S. 30.
  2. LHC: wichtige Fakten. "Elemente der Big Science". Abgerufen am 15. September 2008.
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  4. LHC-Synchronisationstest erfolgreich
  5. Der zweite Test des Injektionssystems war sporadisch, aber das Ziel wurde erreicht. "Elemente der großen Wissenschaft" (24. August 2008). Abgerufen am 6. September 2008.
  6. Der LHC-Meilensteintag beginnt mit einem Schnellstart
  7. Erster Strahl in der LHC-beschleunigenden Wissenschaft.
  8. Mission für das LHC-Team abgeschlossen. physikworld.com. Abgerufen am 12. September 2008.
  9. Am LHC wird ein stabiler zirkulierender Strahl gestartet. "Elements of Big Science" (12. September 2008). Abgerufen am 12. September 2008.
  10. Ein Vorfall am Large Hadron Collider verzögert Experimente auf unbestimmte Zeit. "Elements of Big Science" (19. September 2008). Abgerufen am 21. September 2008.
  11. Der Large Hadron Collider wird den Betrieb erst im Frühjahr wieder aufnehmen - CERN. RIA Nowosti (23. September 2008). Abgerufen am 25. September 2008.
  12. http://press.web.cern.ch/Press/PressReleases/Releases2008/PR14.08E.html
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  15. Die Reparatur beschädigter Magnete wird umfangreicher als bisher angenommen. "Elements of Big Science" (09.11.2008). Abgerufen am 12. November 2008.
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  17. CERN-Pressemitteilung
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  19. Die LHC-Experimente.
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  21. Das Gefahrenpotenzial bei Teilchenbeschleuniger-Experimenten
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  26. Wie wahrscheinlich ist eine Katastrophe am LHC?
  27. Tag des Jüngsten Gerichts
  28. Einen Richter bitten, die Welt zu retten, und vielleicht noch viel mehr
  29. Erklärung, warum der LHC sicher sein wird
  30. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (Spanisch)
  31. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (Deutsch)
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Erscheinungsdatum: 17.09.2012

Was ist der Large Hadron Collider? Warum wird es benötigt? Kann es das Ende der Welt verursachen? Lassen Sie uns alles aufschlüsseln.

Was ist BAK?

Dies ist ein riesiger ringförmiger Tunnel, ähnlich einem Partikelverteilungsrohr. Es befindet sich in einer Tiefe von etwa 100 Metern unter dem Territorium Frankreichs und der Schweiz. An seinem Bau waren Wissenschaftler aus aller Welt beteiligt.

Der LHC wurde gebaut, um das Higgs-Boson zu finden, den Mechanismus, der Teilchen Masse verleiht. Ein sekundäres Ziel ist auch die Untersuchung von Quarks – den fundamentalen Teilchen, aus denen Hadronen bestehen (daher der Name „Hadron“-Collider).

Viele Menschen glauben naiv, dass der LHC der einzige Teilchenbeschleuniger der Welt ist. Seit den 1950er Jahren wurden jedoch weltweit mehr als ein Dutzend Collider gebaut. LHC gilt als der größte - seine Länge beträgt 25,5 km. Darüber hinaus enthält seine Struktur einen weiteren Beschleuniger mit kleinerem Durchmesser.

LHC und Medien

Seit Baubeginn sind viele Artikel über die hohen Kosten und Gefahren des Beschleunigers erschienen. Die meisten Leute glauben, dass das Geld verschwendet wurde, und verstehen nicht, warum es notwendig war, so viel Geld und Mühe aufzuwenden, um irgendeine Art von Teilchen zu finden.

Erstens ist der LHC nicht das teuerste wissenschaftliche Projekt der Geschichte. In Südfrankreich liegt das Wissenschaftszentrum Cadarache mit einem teuren thermonuklearen Reaktor. Cadarache wurde mit der Unterstützung von 6 Ländern (einschließlich Russland) gebaut; derzeit sind bereits rund 20 Milliarden Dollar darin investiert. Zweitens wird die Entdeckung des Higgs-Bosons viele revolutionäre Technologien in die Welt bringen. Als das erste Handy erfunden wurde, trafen die Menschen seine Erfindung auch negativ ...

Wie funktioniert die BAK?

Der LHC kollidiert mit hohen Geschwindigkeiten mit Teilchenstrahlen und überwacht ihr nachfolgendes Verhalten und ihre Wechselwirkung. In der Regel wird ein Teilchenstrahl zuerst auf dem Hilfsring beschleunigt und dann auf den Hauptring geschickt.

Viele der stärksten Magnete halten die Partikel im Collider. Und hochpräzise Instrumente zeichnen die Bewegung von Teilchen auf, denn die Kollision erfolgt in Sekundenbruchteilen.

Die Organisation der Arbeit des Colliders wird von CERN (Organisation for Nuclear Research) durchgeführt.

Infolgedessen gab CERN nach enormen Anstrengungen und finanziellen Investitionen am 4. Juli 2012 offiziell bekannt, dass das Higgs-Boson gefunden wurde. Natürlich weichen einige in der Praxis gefundene Eigenschaften des Bosons von theoretischen Aspekten ab, aber Wissenschaftler haben keine Zweifel an der „Realität“ des Higgs-Bosons.

Warum brauchen Sie ein BAC?

Wie nützlich ist der LHC für normale Menschen? Wissenschaftliche Entdeckungen im Zusammenhang mit der Entdeckung des Higgs-Bosons und der Untersuchung von Quarks könnten in Zukunft zu einer neuen wissenschaftlichen und technologischen Revolution führen.

Erstens, da Masse Energie in Ruhe ist (grob gesagt), ist es in Zukunft möglich, Materie in Energie umzuwandeln. Dann gibt es keine Energieprobleme, was bedeutet, dass es möglich sein wird, zu entfernten Planeten zu reisen. Und dies ist ein Schritt in Richtung interstellarer Reisen ...

Zweitens wird das Studium der Quantengravitation es in Zukunft ermöglichen, die Schwerkraft zu kontrollieren. Dies wird jedoch nicht so bald geschehen, da Gravitonen noch nicht sehr gut verstanden sind und daher das Gerät, das die Schwerkraft kontrolliert, unberechenbar sein kann.

Drittens besteht die Möglichkeit, die M-Theorie (eine Ableitung der Stringtheorie) genauer zu verstehen. Diese Theorie besagt, dass das Universum aus 11 Dimensionen besteht. Die M-Theorie behauptet, die "Theorie von allem" zu sein, was bedeutet, dass ihr Studium es uns ermöglichen wird, die Struktur des Universums besser zu verstehen. Wer weiß, vielleicht lernt ein Mensch in Zukunft, sich zu bewegen und andere Dimensionen zu beeinflussen.

LHC und das Ende der Welt

Viele Leute argumentieren, dass die Arbeit des LHC die Menschheit zerstören kann. In der Regel sprechen Menschen, die sich in Physik schlecht auskennen, darüber. Der Start des LHC wurde viele Male verschoben, aber am 10. September 2008 wurde er dennoch gestartet. Es ist jedoch erwähnenswert, dass der LHC nie auf volle Leistung beschleunigt wurde. Wissenschaftler planen, den LHC im Dezember 2014 mit voller Kapazität zu starten. Schauen wir uns die möglichen Ursachen des Weltuntergangs und andere Gerüchte an ...

1. Erstellen eines Schwarzen Lochs

Ein Schwarzes Loch ist ein Stern mit enormer Schwerkraft, der nicht nur Materie, sondern auch Licht und sogar Zeit anzieht. Ein Schwarzes Loch kann nicht aus dem Nichts auftauchen, weshalb CERN-Wissenschaftler glauben, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein stabiles Schwarzes Loch erscheint, extrem gering ist. Es ist jedoch möglich. Wenn Partikel kollidieren, kann ein mikroskopisch kleines Schwarzes Loch entstehen, dessen Größe ausreicht, um unseren Planeten in ein paar Jahren (oder schneller) zu zerstören. Aber die Menschheit sollte keine Angst haben, denn dank Hawking-Strahlung verlieren Schwarze Löcher schnell an Masse und Energie. Obwohl es Pessimisten unter Wissenschaftlern gibt, die glauben, dass ein starkes Magnetfeld im Inneren des Colliders das Schwarze Loch nicht zerfallen lässt. Infolgedessen ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schwarzes Loch entsteht, das den Planeten zerstört, sehr gering, aber es besteht eine solche Möglichkeit.

2. Bildung von „Dunkler Materie“

Sie ist auch eine „seltsame Materie“, ein Strangelet (ein seltsames Tröpfchen), ein „Strangelet“. Das ist Materie, die, wenn sie mit einer anderen Materie kollidiert, sie in eine ähnliche verwandelt. Diese. Wenn ein Strangelet und ein gewöhnliches Atom kollidieren, werden zwei Strangelets gebildet, was zu einer Kettenreaktion führt. Wenn solche Materie im Collider auftaucht, wird die Menschheit innerhalb von Minuten zerstört. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, ist jedoch so gering wie die Entstehung eines Schwarzen Lochs.

3. Antimaterie

Die Version, die sich auf die Tatsache bezieht, dass während des Betriebs des Colliders eine solche Menge Antimaterie auftreten kann, die den Planeten zerstören wird, sieht am wahnhaftesten aus. Und der Punkt ist nicht einmal, dass die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Antimaterie sehr gering ist, sondern dass es bereits Proben von Antimaterie auf der Erde gibt, die in speziellen Behältern gelagert werden, in denen es keine Schwerkraft gibt. Es ist unwahrscheinlich, dass eine solche Menge Antimaterie auf der Erde erscheint, die den Planeten zerstören kann.

Schlussfolgerungen

Viele Einwohner Russlands wissen nicht einmal, wie man den Ausdruck "Large Hadron Collider" richtig schreibt, ganz zu schweigen von ihrem Wissen über seinen Zweck. Und einige Pseudopropheten argumentieren, dass es im Universum keine intelligenten Zivilisationen gibt, weil jede Zivilisation, nachdem sie wissenschaftlichen Fortschritt erzielt hat, einen Collider erschafft. Dann entsteht ein Schwarzes Loch, das die Zivilisation zerstört. Von hier aus erklären sie die große Zahl massereicher Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien.

Es gibt jedoch auch Leute, die glauben, dass wir den LHC so schnell wie möglich starten sollten, sonst werden sie uns zum Zeitpunkt der Ankunft von Außerirdischen gefangen nehmen, da sie uns für Wilde halten.

Am Ende bleibt nur abzuwarten, was uns der LHC bringen wird. Früher oder später erfahren wir trotzdem, was uns erwartet: Zerstörung oder Fortschritt.


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Es ist die Suche nach Möglichkeiten, zwei grundlegende Theorien zu kombinieren – GR (über Gravitation) und SM (Standardmodell, das drei grundlegende physikalische Wechselwirkungen kombiniert – elektromagnetische, starke und schwache). Das Finden einer Lösung vor der Errichtung des LHC wurde durch die Schwierigkeiten bei der Erstellung einer Theorie der Quantengravitation behindert.

Die Konstruktion dieser Hypothese beinhaltet die Kombination zweier physikalischer Theorien - Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie.

Dafür wurden mehrere populäre und notwendige Ansätze in der Neuzeit gleichzeitig verwendet - Stringtheorie, Brantheorie, Supergravitationstheorie sowie die Theorie der Quantengravitation. Vor dem Bau des Colliders war das Hauptproblem bei der Durchführung der notwendigen Experimente der Energiemangel, der mit anderen modernen Teilchenbeschleunigern nicht erreicht werden kann.

Der Genfer LHC gab Wissenschaftlern die Möglichkeit, zuvor nicht durchführbare Experimente durchzuführen. Es wird angenommen, dass in naher Zukunft mit Hilfe des Apparats viele physikalische Theorien bestätigt oder widerlegt werden. Eines der problematischsten ist die Supersymmetrie oder Stringtheorie, die die Physik lange Zeit in zwei Lager spaltete - "Stringer" und ihre Rivalen.

Andere grundlegende Experimente, die im Rahmen der Arbeit des LHC durchgeführt wurden

Interessant ist auch die Forschung von Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Untersuchung von Top-Quarks, die die meisten Quarks und die schwersten (173,1 ± 1,3 GeV/c²) aller derzeit bekannten Elementarteilchen sind.

Aufgrund dieser Eigenschaft konnten Wissenschaftler schon vor der Entstehung des LHC nur Quarks am Tevatron-Beschleuniger beobachten, da andere Geräte einfach nicht genug Leistung und Energie hatten. Die Theorie der Quarks wiederum ist ein wichtiges Element der sensationellen Higgs-Boson-Hypothese.

Alle wissenschaftlichen Forschungen zur Entstehung und Untersuchung der Eigenschaften von Quarks werden von Wissenschaftlern im obersten Quark-Antiquark-Dampfbad des LHC durchgeführt.

Ein wichtiges Ziel des Genfer Projekts ist auch die Untersuchung des Mechanismus der elektroschwachen Symmetrie, die auch mit dem experimentellen Nachweis der Existenz des Higgs-Bosons zusammenhängt. Wenn wir das Problem genauer definieren, dann ist das Untersuchungsobjekt nicht so sehr das Boson selbst, sondern der von Peter Higgs vorhergesagte Mechanismus der Verletzung der Symmetrie der elektroschwachen Wechselwirkung.

Der LHC führt auch Experimente zur Suche nach Supersymmetrie durch - und das gewünschte Ergebnis wird sowohl der Beweis der Theorie sein, dass jedes Elementarteilchen immer von einem schwereren Partner begleitet wird, als auch ihre Widerlegung.

Ein paar Fakten über den Large Hadron Collider, wie und warum er entstanden ist, wozu er dient und welche potenziellen Gefahren er für die Menschheit darstellt.

1. Der Bau des LHC oder Large Hadron Collider wurde bereits 1984 konzipiert und begann erst 2001. Fünf Jahre später, im Jahr 2006, wurde dank der Bemühungen von mehr als 10.000 Ingenieuren und Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern mit dem Bau begonnen Der Large Hadron Collider wurde fertiggestellt.

2. Der LHC ist die größte Versuchsanlage der Welt.

3. Warum also der Large Hadron Collider?
Es wurde aufgrund seiner massiven Größe als groß bezeichnet: Die Länge des Hauptrings, entlang dem die Teilchen getrieben werden, beträgt etwa 27 km.
Hadron - da die Installation Hadronen (Teilchen, die aus Quarks bestehen) beschleunigt.
Collider - durch gegenläufig beschleunigte Teilchenstrahlen, die an speziellen Punkten miteinander kollidieren.

4. Wozu dient der Large Hadron Collider? Der LHC ist ein hochmodernes Forschungszentrum, in dem Wissenschaftler Experimente mit Atomen durchführen und Ionen und Protonen mit großer Geschwindigkeit zusammenschieben. Wissenschaftler hoffen, mit Hilfe der Forschung den Schleier über die Geheimnisse der Erscheinung des Universums lüften zu können.

5. Das Projekt kostete die wissenschaftliche Gemeinschaft eine astronomische Summe von 6 Milliarden Dollar. Übrigens hat Russland 700 Spezialisten an den LHC delegiert, die noch heute arbeiten. Aufträge für LHC brachten russischen Unternehmen rund 120 Millionen US-Dollar ein.

6. Die wichtigste Entdeckung am LHC ist ohne Zweifel die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, oder wie es auch „Gottesteilchen“ genannt wird. Das Higgs-Boson ist das letzte Glied im Standardmodell. Ein weiteres bedeutendes Ereignis in Bak'e ist das Erreichen eines Rekordwerts der Kollisionsenergie von 2,36 Teraelektronenvolt.

7. Einige Wissenschaftler, auch in Russland, glauben, dass Wissenschaftler dank groß angelegter Experimente am CERN (der Europäischen Organisation für Kernforschung, wo sich der Collider tatsächlich befindet) in der Lage sein werden, die erste Zeitmaschine der Welt zu bauen. Die meisten Wissenschaftler teilen jedoch nicht den Optimismus der Kollegen.

8. Die Hauptbefürchtungen der Menschheit in Bezug auf den stärksten Beschleuniger der Erde beruhen auf der Gefahr, die der Menschheit durch die Bildung mikroskopisch kleiner schwarzer Löcher droht, die die umgebende Materie einfangen können. Es gibt eine weitere potenzielle und äußerst gefährliche Bedrohung – die Entstehung von Strapels (hergestellt aus Strange Droplet), die hypothetisch in der Lage sind, mit dem Kern eines Atoms zu kollidieren, um immer mehr neue Strapels zu bilden und die Materie des gesamten Universums zu transformieren. Die meisten der angesehensten Wissenschaftler sagen jedoch, dass ein solches Ergebnis unwahrscheinlich ist. Aber es ist theoretisch möglich

9. 2008 wurde CERN von zwei Einwohnern des Staates Hawaii verklagt. Sie beschuldigten CERN, versucht zu haben, die Menschheit durch Fahrlässigkeit zu beenden, und forderten Sicherheitsgarantien von Wissenschaftlern.

10. Der Large Hadron Collider befindet sich in der Schweiz in der Nähe von Genf. Es gibt ein Museum am CERN, in dem den Besuchern die Prinzipien des Colliders und warum er gebaut wurde, anschaulich erklärt werden.

11 . Und zum Schluss noch ein kleiner Fun Fact. Nach den Anfragen in Yandex zu urteilen, wissen viele Leute, die nach Informationen über den Large Hadron Collider suchen, nicht, wie man den Namen des Beschleunigers buchstabiert. Sie schreiben zum Beispiel „andron“ (und schreiben nicht nur, was die NTV-Berichte mit ihrem andron Collider wert sind), manchmal schreiben sie auch „android“ (das Imperium schlägt zurück). Auch im bürgerlichen Netz hinken sie nicht hinterher und treiben statt „hadron“ „hardon“ in die Suchmaschine (im orthodoxen Englisch ist hard-on ein Riser). Eine interessante Schreibweise auf Weißrussisch ist „Vyaliki hadronny paskaralnik“, was übersetzt „Großer Hadronenbeschleuniger“ bedeutet.

Hadron Collider. Ein Foto

Das Europäische Zentrum für Kernforschung, oder einfach CERN, ist ein Ort, an dem ein Nobelpreisträger für Physik problemlos neben Ihnen im Speisesaal speisen kann. Es ist weltweit bekannt für den leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, den Large Hadron Collider. Nach fast zehn Jahren Arbeit ist es an der Zeit, Bilanz zu ziehen – hat eines der ambitioniertesten wissenschaftlichen Projekte unserer Zeit die Hoffnungen der Wissenschaftler gerechtfertigt?

2008 war ich in der zehnten Klasse. Obwohl ich mich in jenen Jahren noch überhaupt nicht für Physik interessierte, konnte eine Welle der Aufregung nicht an mir vorbeigehen: Aus allen Eisen posaunten sie, dass die „Weltuntergangsmaschine“ kurz vor dem Start stand. Dass, sobald der Very Important Director den Schalter umlegt, sich ein schwarzes Loch bildet und wir alle fertig sind. Am Tag des offiziellen Starts des Large Hadron Collider erlaubten einige Lehrer sogar, sich im Unterricht einen Bericht von der Szene anzusehen.

Das Schlimmste ist nicht passiert. Im Großen und Ganzen passierte nichts - der Schalter wurde umgelegt, Zahlen, die für einen einfachen Laien unverständlich waren, sprangen auf den Computerbildschirm, und die Wissenschaftler begannen zu feiern. Im Allgemeinen war nicht klar, warum sie gestartet wurden.

Zweifellos wären Wissenschaftler ohne den Large Hadron Collider nicht in der Lage gewesen, einige bedeutende Entdeckungen zu machen – einschließlich der Entdeckung des Higgs-Bosons. Aber wird es möglich sein, alles Geplante umzusetzen, und ob es noch Aussichten für den LHC gibt - wir werden darüber berichten.

DELPHI-Experiment am Large Electron-Positron Collider

Big Brother: Large Electron-Positron Collider

In den späten siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die Elementarteilchenphysik sprunghaft. Um die Vorhersagen des Standardmodells zu testen, wurde 1976 das Projekt des Large Electron-Positron Collider (BEP oder LEP - vom englischen Large Electron-Positron Collider) beim Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN, vom französischen CERN) vorgeschlagen - Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Unter vielen verschiedenen Konfigurationen wurde der Standort des zukünftigen Experiments in einem 27 Kilometer langen unterirdischen Tunnel ausgewählt. Er sollte Elektronen und Positronen auf Energien in der Größenordnung von zehn und hundert Gigaelektronenvolt beschleunigen: Die kollidierenden Strahlen kreuzten sich an vier Punkten, an denen sich später die Experimente ALEPH, DELPHI, OPAL und L3 befanden.

Aus Sicht der Physiker ist Energie nie genug: Die zur Implementierung gewählte BEP-Option war ein Kompromiss zwischen Kosten und Leistung; Auch Tunnel mit größerer Länge, die Partikel stärker beschleunigen können, wurden in Betracht gezogen. Die dabei entstehende Energie konnte zum Testen des Standardmodells genutzt werden, war aber zu klein, um nach der sogenannten „neuen Physik“ zu suchen – Phänomenen, die nicht durch ihre Gesetze vorhergesagt werden. Wesentlich besser geeignet für solche Zwecke sind Hadronenbeschleuniger – Beschleuniger von zusammengesetzten Teilchen wie Protonen, Neutronen und Atomkernen. Bereits 1977, zur Zeit der BEP-Diskussion, schlug John Adams, der damalige Direktor des CERN, vor, den Tunnel breiter zu machen und dort beide Beschleuniger gleichzeitig zu platzieren - sowohl den Elektron-Positron- als auch den Hadronen-Beschleuniger. Der Rat, der die endgültigen Entscheidungen trifft, lehnte diese Idee jedoch ab, und 1981 wurde das Projekt des Large Electron-Positron Collider genehmigt.

Tunnel des Large Hadron Collider

Ersetzt durch LHC

BEP hat mehr als zehn Jahre gearbeitet: von 1989 bis 2000. Zu dieser Zeit gehören eine Reihe bedeutender Experimente, wie die Bestätigung der vorhergesagten Massen der Träger der schwachen Wechselwirkung – W- und Z-Bosonen – sowie die Messung verschiedener Parameter des Standardmodells mit beispielloser Genauigkeit. Und bereits 1984 fand die Konferenz "Large Hadron Collider im LEP-Tunnel" statt, die sich der Frage des Baus eines neuen Colliders nach Einstellung der Arbeiten seines Vorgängers widmete.

1991 wurde schließlich das Projekt des Large Hadron Collider (LHC oder LHC - vom englischen Large Hadron Collider) genehmigt, mit dessen Hilfe eine Gesamtenergie kollidierender Teilchen von 14 Teraelektronenvolt erreicht werden sollte, also a hundertmal größer als die, die vom Large Electron-Positron Collider entwickelt wurde.

1992 fand eine Tagung zum wissenschaftlichen Programm des Large Hadron Collider statt: Insgesamt gingen zwölf Bewerbungen für verschiedene Experimente ein, die am Ort von vier Strahlkollisionspunkten aufgebaut werden könnten. In den folgenden Jahren wurden zwei allgemeine Experimente genehmigt - ATLAS und CMS, das ALICE-Experiment zur Untersuchung von Schwerionen und LHCb, das der Physik von Teilchen gewidmet ist, die b-Quarks enthalten. Der Bau des Large Hadron Collider begann im Jahr 2000, die ersten Strahlen gingen bereits 2008 ein: Seitdem und bis heute beschleunigt der LHC neben der planmäßigen Abschaltung im Betriebsmodus Teilchen und sammelt Daten.

Russland am CERN

Die Russische Föderation ist seit 1993 Beobachterland beim CERN, was ihren Vertretern das Recht gibt, an Sitzungen teilzunehmen, ihnen jedoch kein Stimmrecht bei wichtigen Entscheidungen zugesteht. Im Jahr 2012 wurde im Namen der Regierung der Russischen Föderation eine Erklärung über die Absicht der Russischen Föderation abgegeben, assoziiertes Mitglied des CERN zu werden, was bisher nicht unterstützt wurde.

Insgesamt rund 700 russische Wissenschaftler aus zwölf wissenschaftlichen Organisationen, wie dem Gemeinsamen Institut für Kernforschung, dem Russischen Forschungszentrum Kurtschatow-Institut, dem Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften und der nach M.V. Lomonossow.

Injektionskreislauf des Large Hadron Collider

Was ist der Vorteil der Teilchenbeschleunigung?

Das Arbeitsschema des Large Hadron Collider besteht aus vielen Phasen. Bevor die Teilchen direkt in den LHC gelangen, durchlaufen sie eine Reihe von Vorbeschleunigungsstufen: So gewinnen sie schneller und gleichzeitig mit weniger Energie an Geschwindigkeit. Zunächst erreichen Protonen oder Kerne im Linearbeschleuniger LINAC2 eine Energie von 50 Megaelektronenvolt; dann treten sie abwechselnd in das Booster-Synchrotron (PSB), das Proton-Synchrotron (PS) und das Proton-Super-Synchrotron (SPS) ein, und im Moment der Injektion in den Collider beträgt die Gesamtteilchenenergie 450 Gigaelektronenvolt.

Neben den vier Hauptexperimenten im Tunnel des Large Hadron Collider ist das Vorbeschleunigersystem der Ort für mehr als zehn Experimente, die keine so große Teilchenenergie benötigen. Dazu gehören insbesondere das NA61/SHINE-Experiment, das die Parameter der Wechselwirkung von Schwerionen mit einem festen Target untersucht; das ISOLDE-Experiment, das die Eigenschaften von Atomkernen untersucht, und AEGIS, das die Gravitationsbeschleunigung der Erde unter Verwendung von Antiwasserstoff untersucht.

Die Suche nach einem Teilchen Gottes und neuer Physik

Schon ganz am Anfang, in der Entwicklungsphase, wurde das ehrgeizige wissenschaftliche Programm des Large Hadron Collider angekündigt. Zunächst sollte aufgrund der am BEP erhaltenen Hinweise nach dem Higgs-Boson gesucht werden, einer damals noch hypothetischen Komponente des Standardmodells, das für die Masse aller Teilchen verantwortlich ist. Zu den Plänen der Wissenschaftler gehörte unter anderem die Suche nach dem supersymmetrischen Higgs-Boson und seinen Superpartnern, die in der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells enthalten sind.

Generell war als eigene Richtung geplant, Modelle der "neuen Physik" zu suchen und zu testen. Um die Supersymmetrie zu testen, bei der jedem Boson ein Fermion zugeordnet ist und umgekehrt, sollte für Teilchen des Standardmodells nach den entsprechenden Partnern gesucht werden. Um Theorien mit zusätzlichen räumlichen Dimensionen wie der Stringtheorie oder der M-Theorie zu testen, wurde die Möglichkeit angekündigt, die Anzahl der Dimensionen in unserer Welt zu begrenzen. Es ist die Suche nach Abweichungen vom Standardmodell, die in Betracht gezogen wurde und immer noch als eine der Hauptaufgaben des LHC gilt.

Weniger bekannte Probleme: die Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma und Verletzung der CP-Invarianz

Das Top-Quark, das schwerste der sechs Quarks im Standardmodell, wurde aufgrund seiner extrem großen Masse von 173 Gigaelektronenvolt nur vor dem Large Hadron Collider am Tevatron-Beschleuniger des Enrico Fermi National Accelerator Laboratory in den USA beobachtet. Bei Kollisionen im LHC wurde aufgrund seiner Energie die Geburt einer großen Anzahl von Top-Quarks erwartet, was die Wissenschaftler in zweierlei Hinsicht interessierte. Die erste bezog sich auf die Untersuchung der Teilchenhierarchie: Derzeit gibt es drei Generationen von Quarks (das oberste Quark vervollständigt die dritte), aber es ist möglich, dass es noch mehr davon gibt. Andererseits galt die Produktion des Higgs-Bosons beim Zerfall des Top-Quarks als Hauptmethode für seinen experimentellen Nachweis.

1964 wurde eine Verletzung der kombinierten CP-Invarianz (von englisch „charge“ – Ladung und „parity“ – Parität) entdeckt, die dem Spiegelbild unserer Welt mit dem vollständigen Ersatz aller Teilchen durch die entsprechenden Antiteilchen entspricht. Diese Tatsache spielt eine wichtige Rolle in Theorien zur Entstehung des Universums, die zu erklären versuchen, warum unsere gesamte Materie aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Die Verletzung der CP-Parität zeigt sich unter anderem im Verhalten von B-Mesonen – Teilchen, deren aktive Produktion im Prozess von Kollisionen im LHC angenommen wurde und mit deren Hilfe die Wissenschaftler die Ursachen beleuchten wollten dieses Phänomen.

Der Betrieb des Large Hadron Collider im Kollisionsmodus schwerer Kerne hätte zur Rekonstruktion des Zustands des Quark-Gluon-Plasmas führen sollen, der nach modernen Vorstellungen 10-5 Sekunden nach dem Urknall beobachtet wird - ein Zustand so "heiß", dass Quarks und Gluonen nicht miteinander wechselwirken und keine Teilchen und Kerne bilden, wie dies im Normalzustand der Fall ist. Das Verständnis der Entstehungs- und Abkühlungsprozesse von Quark-Gluon-Plasma ist notwendig, um die Prozesse der Quantenchromodynamik zu untersuchen, dem Zweig der Physik, der für die Beschreibung starker Wechselwirkungen verantwortlich ist.

Schematische Darstellung der Entdeckung des Higgs-Bosons im ATLAS-Experiment

Entdeckung neuer Teilchen am LHC

Womit kann sich der Large Hadron Collider in einem ganzen Jahrzehnt seiner Arbeit rühmen?

Die berühmteste Entdeckung ist natürlich zunächst die Entdeckung des Higgs-Bosons mit einer Masse von 126 Gigaelektronenvolt im Juli 2012. Nur ein Jahr später erhielten Peter Higgs und François Engler den Nobelpreis für Physik für ihre theoretische Vorhersage der Existenz eines „Gottesteilchens“, das für die Masse aller Materie im Universum verantwortlich ist. Jetzt stehen die Physiker jedoch vor einer neuen Aufgabe – zu verstehen, warum das gewünschte Boson eine solche Masse hat; Auch die Suche nach supersymmetrischen Partnern des Higgs-Bosons geht weiter.

2015 entdeckte das LHCb-Experiment stabile Pentaquarks – Teilchen, die aus fünf Quarks bestehen, und ein Jahr später – Kandidaten für die Rolle von Tetraquarks – Teilchen, die aus zwei Quarks und zwei Antiquarks bestehen. Bisher glaubte man, dass die beobachteten Teilchen aus nicht mehr als drei Quarks bestehen, und die Physiker müssen das theoretische Modell, das solche Zustände beschreiben würde, noch verfeinern.

Noch innerhalb des Standardmodells

Die Physiker hofften, dass der LHC das Problem der Supersymmetrie lösen könnte – entweder vollständig widerlegen oder klären, in welche Richtung es sich lohnt, sich zu bewegen, da es eine Vielzahl von Optionen für eine solche Erweiterung des Standardmodells gibt. Bisher war es nicht möglich, entweder das eine oder das andere zu tun: Wissenschaftler haben den Parametern supersymmetrischer Modelle verschiedene Einschränkungen auferlegt, die die einfachsten Optionen ausmerzen können, aber definitiv keine globalen Probleme lösen.

Es gab auch keine expliziten Hinweise auf physikalische Prozesse außerhalb des Standardmodells, auf das sich vielleicht die meisten Wissenschaftler verlassen haben. Es ist jedoch erwähnenswert, dass das LHCb-Experiment auch zeigte, dass das B-Meson, ein schweres Teilchen, das ein b-Quark enthält, nicht so zerfällt, wie es das Standardmodell vorhersagt. Ein solches Verhalten an sich kann beispielsweise als Hinweis auf die Existenz eines weiteren neutralen Trägers der schwachen Wechselwirkung, des Z'-Bosons, dienen. Bisher arbeiten Wissenschaftler an einer Reihe experimenteller Daten, die verschiedene exotische Szenarien einschränken werden.

Mögliches Schema des zukünftigen 100-Kilometer-Colliders

Zeit, einen neuen Tunnel zu graben?

Könnte der Large Hadron Collider die in ihn investierten Anstrengungen und Mittel rechtfertigen? Zweifellos, obwohl noch nicht alle Ziele des Jahrzehnts erreicht wurden. Derzeit läuft die zweite Stufe des Beschleunigerbetriebs, danach wird die geplante Installation durchgeführt und die dritte Stufe der Datenerhebung beginnt.

Wissenschaftler verlieren die Hoffnung auf die nächsten großen Entdeckungen nicht und planen bereits neue Beschleuniger, beispielsweise mit einer Tunnellänge von bis zu 100 Kilometern.