O Grande Colisor de Hádrons. Referência. Descobertas feitas no Grande Colisor de Hádrons

A história da criação do acelerador, que hoje conhecemos como Grande Colisor de Hádrons, remonta a 2007. Inicialmente, a cronologia dos aceleradores começou com o ciclotron. O dispositivo era um dispositivo pequeno que cabia facilmente na mesa. Então a história dos aceleradores começou a se desenvolver rapidamente. O sincrofasotron e o síncrotron apareceram.

Na história, talvez o período mais interessante tenha sido o período de 1956 a 1957. Naquela época, a ciência soviética, em particular a física, não ficava atrás de seus irmãos estrangeiros. Usando anos de experiência, um físico soviético chamado Vladimir Veksler fez um avanço na ciência. Ele criou o sincrofasotron mais poderoso da época. Sua potência operacional era de 10 gigaelétron-volts (10 bilhões de elétron-volts). Após esta descoberta, foram criadas amostras sérias de aceleradores: o grande colisor elétron-pósitron, o acelerador suíço, na Alemanha, nos EUA. Todos eles tinham um objetivo comum - o estudo das partículas fundamentais dos quarks.

O Grande Colisor de Hádrons foi criado principalmente graças aos esforços de um físico italiano. Seu nome é Carlo Rubbia, ganhador do Prêmio Nobel. Durante sua carreira, Rubbia trabalhou como diretor da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear. Decidiu-se construir e lançar um colisor de hádrons no local do centro de pesquisa.

Onde está o colisor de hádrons?

O colisor está localizado na fronteira entre a Suíça e a França. Sua circunferência é de 27 quilômetros, por isso é chamada de grande. O anel do acelerador vai de 50 a 175 metros de profundidade. O colisor possui 1232 ímãs. São supercondutores, o que significa que a partir deles pode ser gerado o campo máximo de aceleração, já que praticamente não há consumo de energia nesses ímãs. O peso total de cada ímã é de 3,5 toneladas e comprimento de 14,3 metros.

Como qualquer objeto físico, o Grande Colisor de Hádrons gera calor. Portanto, deve ser resfriado constantemente. Para conseguir isso, a temperatura é mantida em 1,7 K utilizando 12 milhões de litros de nitrogênio líquido. Além disso, são utilizados 700 mil litros para resfriamento e, o mais importante, é utilizada uma pressão dez vezes menor que a pressão atmosférica normal.

Uma temperatura de 1,7 K na escala Celsius é de -271 graus. Essa temperatura está quase próxima do chamado limite mínimo possível que um corpo físico pode ter.

O interior do túnel não é menos interessante. Existem cabos de nióbio-titânio com capacidades supercondutoras. Seu comprimento é de 7.600 quilômetros. O peso total dos cabos é de 1.200 toneladas. O interior do cabo é uma trama de 6.300 fios com uma distância total de 1,5 bilhão de quilômetros. Este comprimento é igual a 10 unidades astronômicas. Por exemplo, é igual a 10 dessas unidades.

Se falarmos da sua localização geográfica, podemos dizer que os anéis do colisor situam-se entre as cidades de Saint-Genis e Forney-Voltaire, localizadas no lado francês, bem como Meyrin e Vessourat - no lado suíço. Um pequeno anel chamado PS corre ao longo do diâmetro da borda.

O significado da existência

Para responder à pergunta “para que serve um colisor de hádrons”, você precisa recorrer aos cientistas. Muitos cientistas dizem que esta é a maior invenção de toda a história da ciência e que, sem ela, a ciência como a conhecemos hoje simplesmente não tem sentido. A existência e o lançamento do Grande Colisor de Hádrons são interessantes porque quando as partículas colidem no colisor de hádrons, ocorre uma explosão. Todas as menores partículas se espalham em direções diferentes. Formam-se novas partículas que podem explicar a existência e o significado de muitas coisas.

A primeira coisa que os cientistas tentaram encontrar nessas partículas quebradas foi uma partícula elementar teoricamente prevista pelo físico Peter Higgs, chamada Esta incrível partícula é portadora de informação, acredita-se. Também é comumente chamada de “partícula de Deus”. Sua descoberta aproximaria os cientistas da compreensão do universo. Deve-se notar que em 2012, em 4 de julho, o colisor de hádrons (seu lançamento foi parcialmente bem-sucedido) ajudou a descobrir uma partícula semelhante. Hoje, os cientistas estão tentando estudá-lo com mais detalhes.

Quanto tempo...

É claro que surge imediatamente a questão: por que os cientistas estudam essas partículas há tanto tempo? Se você tiver um dispositivo, poderá executá-lo e obter cada vez mais dados. O fato é que operar um colisor de hádrons é uma proposta cara. Um lançamento custa muito dinheiro. Por exemplo, o consumo anual de energia é de 800 milhões de kWh. Essa quantidade de energia é consumida por uma cidade com população de cerca de 100 mil habitantes, para padrões médios. E isso não inclui custos de manutenção. Outra razão é que no colisor de hádrons, a explosão que ocorre quando os prótons colidem está associada ao recebimento de uma grande quantidade de dados: os computadores leem tanta informação que leva muito tempo para processá-la. Mesmo que o poder dos computadores que recebem informações seja grande mesmo para os padrões atuais.

A próxima razão não é menos conhecida: os cientistas que trabalham com o colisor nessa direção estão confiantes de que o espectro visível de todo o universo é de apenas 4%. Supõe-se que os restantes sejam matéria escura e energia escura. Eles estão tentando provar experimentalmente que esta teoria está correta.

Colisor de Hádrons: a favor ou contra

A teoria apresentada da matéria escura lançou dúvidas sobre a segurança do colisor de hádrons. Surgiu a questão: “Colisor de Hádrons: a favor ou contra?” Ele preocupou muitos cientistas. Todas as grandes mentes do mundo estão divididas em duas categorias. Os “oponentes” apresentaram uma teoria interessante de que, se tal matéria existe, então deve haver uma partícula oposta a ela. E quando as partículas colidem no acelerador, aparece uma parte escura. Havia o risco de a parte escura e a parte que vemos colidirem. Então isso poderia levar à morte de todo o universo. No entanto, após o primeiro lançamento do colisor de hádrons, esta teoria foi parcialmente quebrada.

A seguir em importância vem a explosão do universo, ou melhor, o nascimento. Acredita-se que durante uma colisão seja possível observar como o universo se comportou nos primeiros segundos de sua existência. A forma como ficou após a origem do Big Bang. Acredita-se que o processo de colisão de partículas seja muito semelhante ao que ocorreu no início do universo.

Outra ideia igualmente fantástica que os cientistas estão testando são os modelos exóticos. Parece incrível, mas existe uma teoria que sugere que existem outras dimensões e universos com pessoas semelhantes a nós. E por incrível que pareça, o acelerador também pode ajudar aqui.

Simplificando, o objetivo do acelerador é compreender o que é o universo, como foi criado e provar ou refutar todas as teorias existentes sobre partículas e fenômenos relacionados. É claro que isso levará anos, mas a cada lançamento surgem novas descobertas que revolucionam o mundo da ciência.

Fatos sobre o acelerador

Todo mundo sabe que um acelerador acelera partículas a 99% da velocidade da luz, mas poucas pessoas sabem que a porcentagem é 99,9999991% da velocidade da luz. Esta figura incrível faz sentido graças ao design perfeito e aos poderosos ímãs de aceleração. Existem também alguns fatos menos conhecidos a serem observados.

Os aproximadamente 100 milhões de fluxos de dados provenientes de cada um dos dois detectores principais poderiam preencher mais de 100.000 CD-ROMs em questão de segundos. Em apenas um mês, o número de discos atingiria uma altura tal que, se fossem empilhados, seriam suficientes para chegar à Lua. Portanto, optou-se por coletar não todos os dados provenientes dos detectores, mas apenas aqueles que poderão ser utilizados pelo sistema de coleta de dados, que na verdade funciona como um filtro dos dados recebidos. Decidiu-se registrar apenas 100 eventos ocorridos no momento da explosão. Estes eventos serão registados no arquivo do centro informático do Large Hadron Collider, que se encontra no Laboratório Europeu de Física de Partículas, onde também se encontra o acelerador. O que será registrado não serão os eventos que foram registrados, mas aqueles que são de maior interesse para a comunidade científica.

Pós-processamento

Uma vez gravados, centenas de kilobytes de dados serão processados. Para tanto, são utilizados mais de dois mil computadores localizados no CERN. A tarefa desses computadores é processar dados primários e formar um banco de dados a partir deles que será conveniente para análises posteriores. A seguir, o fluxo de dados gerado será enviado para a rede de computadores GRID. Essa rede de Internet une milhares de computadores localizados em diversos institutos ao redor do mundo e conecta mais de uma centena de grandes centros localizados em três continentes. Todos esses centros estão conectados ao CERN usando fibra óptica para velocidades máximas de transferência de dados.

Falando em fatos, devemos citar também os indicadores físicos da estrutura. O túnel do acelerador está desviado em 1,4% do plano horizontal. Isto foi feito principalmente para colocar a maior parte do túnel do acelerador em uma rocha monolítica. Assim, a profundidade de colocação em lados opostos é diferente. Se contarmos a partir do lado do lago, que fica perto de Genebra, a profundidade será de 50 metros. A parte oposta tem 175 metros de profundidade.

O interessante é que as fases lunares afetam o acelerador. Parece que um objeto tão distante pode influenciar a tal distância. No entanto, foi observado que durante a lua cheia, quando ocorre a maré, o terreno na região de Genebra sobe até 25 centímetros. Isso afeta o comprimento do colisor. O comprimento aumenta assim em 1 milímetro e a energia do feixe também muda em 0,02%. Como a energia do feixe deve ser controlada até 0,002%, os investigadores devem levar este fenómeno em consideração.

Também é interessante que o túnel do colisor tenha o formato de um octógono, e não de um círculo, como muitos imaginam. Os cantos são criados por seções curtas. Eles contêm detectores instalados, bem como um sistema que controla o feixe de partículas em aceleração.

Estrutura

O Colisor de Hádrons, cujo lançamento envolve muitas peças e muita empolgação entre os cientistas, é um aparelho incrível. Todo o acelerador consiste em dois anéis. O pequeno anel é chamado de Síncrotron de Prótons ou, para usar suas abreviações, PS. O Grande Anel é o Super Proton Synchrotron, ou SPS. Juntos, os dois anéis permitem que as peças acelerem a 99,9% da velocidade da luz. Ao mesmo tempo, o colisor também aumenta a energia dos prótons, aumentando sua energia total em 16 vezes. Também permite que as partículas colidam umas com as outras aproximadamente 30 milhões de vezes/s. dentro de 10 horas. Os 4 detectores principais produzem pelo menos 100 terabytes de dados digitais por segundo. A obtenção de dados é determinada por fatores individuais. Por exemplo, eles podem detectar partículas elementares que possuem carga elétrica negativa e também meio spin. Como essas partículas são instáveis, sua detecção direta é impossível, só é possível detectar sua energia, que será emitida em um determinado ângulo em relação ao eixo do feixe. Este estágio é chamado de primeiro nível de lançamento. Esta etapa é monitorada por mais de 100 placas especiais de processamento de dados, que possuem lógica de implementação integrada. Esta parte do trabalho é caracterizada pelo fato de que durante o período de aquisição de dados são selecionados mais de 100 mil blocos de dados por segundo. Esses dados serão então utilizados para análise, o que ocorre por meio de um mecanismo de nível superior.

Os sistemas no nível seguinte, pelo contrário, recebem informações de todos os threads do detector. O software detector é executado em rede. Lá ele usará um grande número de computadores para processar blocos de dados subsequentes, o tempo médio entre os blocos é de 10 microssegundos. Os programas terão que criar marcas de partículas correspondentes aos pontos originais. O resultado será um conjunto gerado de dados composto por impulso, energia, trajetória e outros que surgiram durante um evento.

Peças do acelerador

Todo o acelerador pode ser dividido em 5 partes principais:

1) Acelerador de colisor elétron-pósitron. A peça é composta por cerca de 7 mil ímãs com propriedades supercondutoras. Com a ajuda deles, o feixe é direcionado através de um túnel circular. Eles também concentram o feixe em um fluxo, cuja largura é reduzida à largura de um fio de cabelo.

2) Solenóide de múon compacto. Este é um detector de uso geral. Tal detector é usado para procurar novos fenômenos e, por exemplo, para procurar partículas de Higgs.

3) Detector LHCb. O significado deste dispositivo é procurar quarks e suas partículas opostas - antiquarks.

4) Instalação toroidal ATLAS. Este detector foi projetado para detectar múons.

5) Alice. Este detector captura colisões de íons de chumbo e colisões próton-próton.

Problemas ao lançar o Colisor de Hádrons

Apesar de a presença de alta tecnologia eliminar a possibilidade de erros, na prática tudo é diferente. Durante a montagem do acelerador ocorreram atrasos e falhas. É preciso dizer que esta situação não foi inesperada. O dispositivo contém tantas nuances e exige tanta precisão que os cientistas esperavam resultados semelhantes. Por exemplo, um dos problemas que os cientistas enfrentaram durante o lançamento foi a falha do ímã que focalizava os feixes de prótons imediatamente antes de sua colisão. Este grave acidente foi provocado pela destruição de parte da fixação devido à perda de supercondutividade do íman.

Esse problema ocorreu em 2007. Por conta disso, o lançamento do colisor foi adiado diversas vezes, e somente em junho ocorreu o lançamento, quase um ano depois o colisor foi lançado.

O último lançamento do colisor foi bem-sucedido, coletando muitos terabytes de dados.

O Colisor de Hádrons, lançado em 5 de abril de 2015, está operando com sucesso. Ao longo de um mês, os feixes serão conduzidos ao redor do anel, aumentando gradativamente sua potência. Não há propósito para o estudo como tal. A energia de colisão do feixe será aumentada. O valor será elevado de 7 TeV para 13 TeV. Tal aumento nos permitirá ver novas possibilidades nas colisões de partículas.

Em 2013 e 2014 foram realizadas inspeções técnicas sérias de túneis, aceleradores, detectores e outros equipamentos. O resultado foram 18 ímãs bipolares com função supercondutora. Deve-se notar que seu número total é de 1.232 peças. No entanto, os restantes ímanes não passaram despercebidos. No restante, os sistemas de proteção de refrigeração foram substituídos e instalados outros melhorados. O sistema de resfriamento magnético também foi melhorado. Isso permite que permaneçam em baixas temperaturas com potência máxima.

Se tudo correr bem, o próximo lançamento do acelerador ocorrerá apenas daqui a três anos. Após esse período, estão previstas obras planejadas para melhoria e inspeção técnica do colisor.

Deve-se notar que os reparos custam um bom dinheiro, sem levar em conta o custo. O Colisor de Hádrons, em 2010, tinha um preço de 7,5 mil milhões de euros. Esse número coloca todo o projeto em primeiro lugar na lista dos projetos mais caros da história da ciência.

A 100 metros de profundidade, na fronteira da França com a Suíça, existe um dispositivo que pode revelar os segredos do universo. Ou, segundo alguns, destruir toda a vida na Terra.

De qualquer forma, esta é a maior máquina do mundo e serve para estudar as menores partículas do Universo. Este é o Large Hadron Collider (LHC).

Pequena descrição

O LHC faz parte de um projeto liderado pela Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN). O colisor faz parte do complexo acelerador do CERN nos arredores de Genebra, na Suíça, e é usado para acelerar feixes de prótons e íons a velocidades que se aproximam da velocidade da luz, colidindo partículas umas com as outras e registrando os eventos resultantes. Os cientistas esperam que isso ajude a aprender mais sobre a origem do Universo e sua composição.

O que é um colisor (LHC)? É o acelerador de partículas mais ambicioso e poderoso construído até hoje. Milhares de cientistas de centenas de países colaboram e competem entre si em busca de novas descobertas. Para coletar dados experimentais, existem 6 seções localizadas ao longo da circunferência do colisor.

As descobertas feitas com ele podem ser úteis no futuro, mas não é essa a razão da sua construção. O objetivo do Grande Colisor de Hádrons é expandir nosso conhecimento do Universo. Dado que o LHC custa milhares de milhões de dólares e requer a cooperação de muitos países, a falta de aplicação prática pode ser surpreendente.

Para que serve o Colisor de Hádrons?

Na tentativa de compreender o nosso Universo, o seu funcionamento e estrutura real, os cientistas propuseram uma teoria chamada modelo padrão. Tenta identificar e explicar as partículas fundamentais que fazem do mundo o que ele é. O modelo combina elementos da teoria da relatividade de Einstein com a teoria quântica. Também leva em consideração 3 das 4 forças fundamentais do Universo: forças nucleares fortes e fracas e eletromagnetismo. A teoria não diz respeito à quarta força fundamental – a gravidade.

O Modelo Padrão fez várias previsões sobre o universo que são consistentes com vários experimentos. Mas há outros aspectos que exigem confirmação. Um deles é uma partícula teórica chamada bóson de Higgs.

Sua descoberta responde a perguntas sobre a massa. Por que a matéria tem isso? Os cientistas identificaram partículas que não têm massa, como os neutrinos. Por que algumas pessoas têm e outras não? Os físicos ofereceram muitas explicações.

O mais simples deles é o mecanismo de Higgs. Esta teoria afirma que existe uma partícula e uma força correspondente que explica a presença de massa. Nunca tinha sido observado antes, portanto os eventos criados pelo LHC provariam a existência do bóson de Higgs ou forneceriam novas informações.

Outra questão que os cientistas fazem está relacionada com a origem do Universo. Então matéria e energia eram uma só. Após a separação, as partículas de matéria e antimatéria destruíram-se mutuamente. Se o número deles fosse igual, não sobraria nada.

Mas, felizmente para nós, havia mais matéria no Universo. Os cientistas esperam observar antimatéria durante a operação do LHC. Isto poderia ajudar a compreender a razão da diferença na quantidade de matéria e antimatéria quando o universo começou.

Matéria escura

Nossa compreensão atual do universo sugere que apenas cerca de 4% da matéria que deveria existir é atualmente observável. O movimento das galáxias e de outros corpos celestes sugere que há muito mais matéria visível.

Os cientistas chamaram essa matéria vaga de matéria escura. A matéria observável e escura representa cerca de 25%. Os outros 3/4 vêm da hipotética energia escura, que contribui para a expansão do Universo.

Os cientistas esperam que as suas experiências forneçam mais provas da existência de matéria escura e energia escura, ou confirmem uma teoria alternativa.

Mas esta é apenas a ponta do iceberg da física de partículas. Há coisas ainda mais exóticas e controversas que precisam ser reveladas, e é para isso que serve o colisor.

Big Bang em microescala

Ao colidir prótons em velocidades suficientemente altas, o LHC os divide em subpartículas atômicas menores. Eles são muito instáveis ​​e duram apenas uma fração de segundo antes de se decomporem ou se recombinarem.

De acordo com a teoria do Big Bang, toda a matéria consistia originalmente neles. À medida que o Universo se expandia e arrefecia, eles combinavam-se em partículas maiores, como protões e neutrões.

Teorias incomuns

Se as partículas teóricas, antimatéria e energia escura, não forem suficientemente exóticas, alguns cientistas acreditam que o LHC poderá fornecer provas da existência de outras dimensões. É geralmente aceito que o mundo é quadridimensional (espaço e tempo tridimensionais). Mas os físicos sugerem que pode haver outras dimensões que os humanos não conseguem perceber. Por exemplo, uma versão da teoria das cordas requer pelo menos 11 dimensões.

Os adeptos desta teoria esperam que o LHC forneça evidências do modelo proposto para o Universo. Na sua opinião, os blocos de construção fundamentais não são partículas, mas cordas. Eles podem ser abertos ou fechados e vibram como guitarras. A diferença na vibração torna as cordas diferentes. Alguns se manifestam na forma de elétrons, enquanto outros são percebidos como neutrinos.

O que é um colisor em números?

O LHC é uma estrutura enorme e poderosa. É composto por 8 setores, cada um dos quais é um arco, delimitado em cada extremidade por uma seção denominada “inserção”. A circunferência do colisor é de 27 km.

Os tubos aceleradores e as câmaras de colisão estão localizados a 100 metros abaixo do solo. O acesso a eles é feito por um túnel de serviço com elevadores e escadas localizados em diversos pontos da circunferência do LHC. O CERN também construiu edifícios acima do solo onde os investigadores podem recolher e analisar dados gerados pelos detectores do colisor.

Os ímãs são usados ​​para controlar feixes de prótons que se movem a 99,99% da velocidade da luz. São enormes, pesando várias toneladas. O LHC possui cerca de 9.600 ímãs. Eles esfriam até 1,9K (-271,25 °C). Isso está abaixo da temperatura do espaço sideral.

Os prótons dentro do colisor passam por tubos de ultra-alto vácuo. Isso é necessário para que não haja partículas com as quais eles possam colidir antes de atingirem seu objetivo. Uma única molécula de gás pode causar o fracasso de um experimento.

Existem 6 áreas ao redor da circunferência do grande colisor onde os engenheiros podem conduzir seus experimentos. Eles podem ser comparados a microscópios com câmera digital. Alguns desses detectores são enormes - o ATLAS é um aparelho com 45 m de comprimento, 25 m de altura e pesa 7 toneladas.

O LHC emprega cerca de 150 milhões de sensores que coletam dados e os enviam para a rede de computadores. Segundo o CERN, a quantidade de informação obtida durante os experimentos é de cerca de 700 MB/s.

Obviamente, tal colisor requer muita energia. Seu consumo anual de energia é de cerca de 800 GWh. Poderia ser muito maior, mas a instalação não funciona durante os meses de inverno. Segundo o CERN, o custo da energia ronda os 19 milhões de euros.

Colisão de prótons

O princípio por trás da física do colisor é bastante simples. Primeiro, dois feixes são lançados: um no sentido horário e o segundo no sentido anti-horário. Ambos os fluxos aceleram à velocidade da luz. Então eles são direcionados um para o outro e o resultado é observado.

O equipamento necessário para atingir este objetivo é muito mais complexo. O LHC faz parte do complexo CERN. Antes de qualquer partícula entrar no LHC, ela já passa por uma série de etapas.

Primeiro, para produzir prótons, os cientistas devem retirar os elétrons dos átomos de hidrogênio. As partículas são então enviadas para o LINAC 2, que as lança no acelerador PS Booster. Essas máquinas usam um campo elétrico alternado para acelerar as partículas. Os campos criados por ímãs gigantes ajudam a segurar os feixes.

Quando o feixe atinge o nível de energia desejado, o PS Booster o direciona para o supersíncrotron SPS. O fluxo é ainda mais acelerado e é dividido em 2.808 feixes de 1,1 x 1.011 prótons. O SPS injeta feixes no LHC no sentido horário e anti-horário.

Dentro do Grande Colisor de Hádrons, os prótons continuam a acelerar por 20 minutos. Na velocidade máxima, eles giram 11.245 vezes em torno do LHC a cada segundo. Os feixes convergem para um dos 6 detectores. Neste caso, ocorrem 600 milhões de colisões por segundo.

Quando dois prótons colidem, eles são divididos em partículas menores, incluindo quarks e glúons. Quarks são muito instáveis ​​e decaem em uma fração de segundo. Os detectores coletam informações rastreando o caminho das partículas subatômicas e as enviam para uma rede de computadores.

Nem todos os prótons colidem. O restante segue para a seção de ejeção do feixe, onde é absorvido pelo grafite.

Detectores

Ao longo da circunferência do colisor existem 6 seções nas quais os dados são coletados e os experimentos são conduzidos. Destes, 4 são detectores principais e 2 são menores.

O maior é o ATLAS. Suas dimensões são 46 x 25 x 25 M. O rastreador detecta e analisa o momento das partículas que passam pelo ATLAS. Ao seu redor está um calorímetro que mede a energia das partículas absorvendo-as. Os cientistas podem observar sua trajetória e extrapolar informações sobre eles.

O detector ATLAS também possui um espectrômetro de múons. Os múons são partículas com carga negativa 200 vezes mais pesadas que os elétrons. São os únicos capazes de passar pelo calorímetro sem parar. O espectrômetro mede o momento de cada múon usando sensores de partículas carregadas. Esses sensores podem detectar flutuações no campo magnético do ATLAS.

O Compact Muon Solenoid (CMS) é um detector de uso geral que detecta e mede subpartículas liberadas durante colisões. O dispositivo está localizado dentro de um solenóide gigante que pode criar um campo magnético quase 100 mil vezes maior que o campo magnético da Terra.

O detector ALICE foi projetado para estudar colisões de íons de ferro. Desta forma, os investigadores esperam recriar condições semelhantes às que ocorreram imediatamente após o Big Bang. Eles esperam ver os íons se transformarem em uma mistura de quarks e glúons. O principal componente do ALICE é a câmera TPC, que é usada para estudar e reconstruir trajetórias de partículas.

O LHC é usado para procurar evidências da existência de antimatéria. Ele faz isso procurando por uma partícula chamada beauty quark. A fileira de subdetectores ao redor do ponto de impacto tem 20 metros de comprimento. Eles podem capturar partículas de quarks bonitos muito instáveis ​​​​e de decomposição rápida.

O experimento TOTEM é realizado em uma área com um dos pequenos detectores. Ele mede o tamanho dos prótons e o brilho do LHC, indicando a precisão da criação de colisões.

O experimento LHC simula raios cósmicos em um ambiente controlado. Seu objetivo é ajudar a desenvolver estudos em larga escala de raios cósmicos reais.

Em cada local de detecção há uma equipe de pesquisadores, que varia de várias dezenas a mais de mil cientistas.

Processamento de dados

Não é de surpreender que tal colisor gere um enorme fluxo de dados. Os 15 milhões de GB produzidos anualmente pelos detectores do LHC representam um enorme desafio para os pesquisadores. Sua solução é uma rede de computadores composta por computadores, cada um deles capaz de analisar de forma independente um dado. Assim que o computador conclui a análise, ele envia os resultados ao computador central e recebe uma nova parcela.

Os cientistas do CERN decidiram concentrar-se na utilização de equipamentos relativamente baratos para realizar os seus cálculos. Em vez de adquirir servidores e processadores avançados, é usado hardware existente que pode funcionar bem na rede. Usando um software especial, uma rede de computadores será capaz de armazenar e analisar os dados de cada experimento.

Perigo para o planeta?

Alguns temem que um colisor tão poderoso possa representar uma ameaça à vida na Terra, incluindo a participação na formação de buracos negros, “matéria estranha”, monopólios magnéticos, radiação, etc.

Os cientistas refutam consistentemente tais afirmações. A formação de um buraco negro é impossível porque existe uma grande diferença entre prótons e estrelas. A “matéria estranha” poderia ter sido formada há muito tempo sob a influência dos raios cósmicos, e o perigo dessas formações hipotéticas é muito exagerado.

O colisor é extremamente seguro: é separado da superfície por uma camada de solo de 100 metros e o pessoal está proibido de permanecer no subsolo durante os experimentos.

O Grande Colisor de Hádrons foi chamado de “Máquina do Juízo Final” ou a chave para o mistério do Universo, mas seu significado não está em dúvida.

Como disse certa vez o famoso pensador britânico Bertrand Russell: “filosofia é o que você sabe, filosofia é o que você não sabe”. Parece que o verdadeiro conhecimento científico está há muito separado de suas origens, o que pode ser encontrado na pesquisa filosófica da Grécia Antiga, mas isso não é inteiramente verdade.

Ao longo do século XX, os cientistas tentaram encontrar na ciência uma resposta para a questão da estrutura do mundo. Esse processo foi semelhante à busca pelo sentido da vida: um grande número de teorias, suposições e até ideias malucas. A que conclusões chegaram os cientistas no início do século 21?

O mundo inteiro é feito de partículas elementares, que representam as formas finais de todas as coisas, ou seja, aquilo que não pode ser dividido em elementos menores. Isso inclui prótons, elétrons, nêutrons e assim por diante. Essas partículas estão em constante interação umas com as outras. No início do nosso século, expressava-se em 4 tipos fundamentais: gravitacional, eletromagnético, forte e fraco. O primeiro é descrito pela Teoria Geral da Relatividade, os outros três são combinados no âmbito do Modelo Padrão (teoria quântica). Também foi sugerido que havia outra interação, mais tarde chamada de campo de Higgs.

Gradualmente, a ideia de unir todas as interações fundamentais no âmbito de “ teorias de tudo", que inicialmente foi percebido como uma piada, mas rapidamente se tornou uma direção científica poderosa. Por que isso é necessário? É simples! Sem compreender como o mundo funciona, somos como formigas num ninho artificial – não iremos além das nossas capacidades. O conhecimento humano não pode (bem, ou Tchau não pode, se formos optimistas) abranger toda a estrutura do mundo.

Uma das teorias mais famosas que afirmam “abraçar tudo” é considerada teoria das cordas. Isso implica que todo o Universo e nossas vidas são multidimensionais. Apesar da parte teórica desenvolvida e do apoio de físicos famosos como Brian Greene e Stephen Hawking, não possui confirmação experimental.

Os cientistas, décadas depois, cansaram-se de transmitir nas arquibancadas e decidiram construir algo que deveria pontuar os i’s de uma vez por todas. Para tanto, foi criada a maior instalação experimental do mundo - Grande Colisor de Hádrons (LHC).

"Para o colisor!"

O que é um colisor? Em termos científicos, este é um acelerador de partículas carregadas projetado para acelerar partículas elementares para uma melhor compreensão de sua interação. Em termos não científicos, é uma grande arena (ou caixa de areia, se preferir) na qual os cientistas lutam para confirmar as suas teorias.

A ideia de colidir partículas elementares e ver o que acontece veio pela primeira vez do físico americano Donald William Kerst em 1956. Ele sugeriu que graças a isso os cientistas seriam capazes de penetrar nos segredos do Universo. Parece que o que há de errado em colidir dois feixes de prótons com uma energia total um milhão de vezes maior que a da fusão termonuclear? Os tempos eram apropriados: a Guerra Fria, a corrida armamentista e tudo mais.

História da criação do LHC

A ideia de criar um acelerador para produção e estudo de partículas carregadas surgiu no início da década de 1920, mas os primeiros protótipos foram criados apenas no início da década de 1930. Inicialmente, eram aceleradores lineares de alta tensão, ou seja, partículas carregadas moviam-se em linha reta. A versão em anel foi introduzida em 1931 nos EUA, após o que dispositivos semelhantes começaram a aparecer em vários países desenvolvidos - Grã-Bretanha, Suíça e URSS. Eles têm o nome ciclotrons, e posteriormente começou a ser usado ativamente para criar armas nucleares.

Deve-se notar que o custo de construção de um acelerador de partículas é incrivelmente alto. A Europa, que não desempenhou um papel primordial durante a Guerra Fria, confiou a sua criação Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (em russo frequentemente lido como CERN), que mais tarde assumiu a construção do LHC.

O CERN foi criado na sequência da preocupação global com a investigação nuclear nos EUA e na URSS, que poderia levar ao extermínio geral. Portanto, os cientistas decidiram unir forças e direcioná-las em uma direção pacífica. Em 1954, o CERN nasceu oficialmente.

Em 1983, sob os auspícios do CERN, foram descobertos os bósons W e Z, após o que a questão da descoberta dos bósons de Higgs tornou-se apenas uma questão de tempo. No mesmo ano, iniciaram-se os trabalhos de construção do Grande Colisor de Elétrons-Positrons (LEPC), que desempenhou um papel fundamental no estudo dos bósons descobertos. No entanto, mesmo assim ficou claro que a potência do dispositivo criado logo se revelaria insuficiente. E em 1984, foi tomada a decisão de construir o LHC, imediatamente após o desmantelamento do BEPK. Foi o que aconteceu em 2000.

A construção do LHC, iniciada em 2001, foi facilitada pelo facto de ter ocorrido no local do antigo BEPK, no vale do Lago Genebra. Em relação às questões de financiamento (em 1995 o custo foi estimado em 2,6 mil milhões de francos suíços, em 2001 ultrapassou os 4,6 mil milhões, em 2009 ascendeu a 6 mil milhões de dólares).

Neste momento, o LHC está localizado num túnel com 26,7 km de circunferência e passa pelos territórios de dois países europeus - França e Suíça. A profundidade do túnel varia de 50 a 175 metros. Deve-se notar também que a energia de colisão dos prótons no acelerador chega a 14 teraelétron-volts, o que é 20 vezes maior que os resultados alcançados com o BEPK.

“A curiosidade não é um vício, mas é uma coisa muito nojenta.”

O túnel de 27 quilômetros do colisor CERN está localizado a 100 metros abaixo do solo, perto de Genebra. Haverá enormes eletroímãs supercondutores aqui. À direita estão os carros de transporte. Juhanson/wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Por que é necessária esta “Máquina do Juízo Final” feita pelo homem? Os cientistas esperam ver o mundo como era imediatamente após o Big Bang, ou seja, no momento da formação da matéria.

Metas que os cientistas estabeleceram durante a construção do LHC:

1. Confirmação ou refutação do Modelo Padrão com o objetivo de criar ainda mais uma “teoria de tudo”.
2. Prova da existência do bóson de Higgs como partícula da quinta força fundamental. Segundo pesquisas teóricas, deveria influenciar as interações elétricas e fracas, quebrando sua simetria.
3. O estudo dos quarks, que são uma partícula fundamental 20 mil vezes menor que os prótons que os compõem.
4. Obtenção e estudo da matéria escura, que constitui a maior parte do Universo.

Estes estão longe de ser os únicos objetivos atribuídos pelos cientistas ao LHC, mas os restantes são mais relacionados ou puramente teóricos.

O que você conseguiu?

Sem dúvida, a maior e mais significativa conquista foi a confirmação oficial da existência Bóson de Higgs. A descoberta da quinta interação (campo de Higgs), que, segundo os cientistas, afeta a aquisição de massa de todas as partículas elementares. Acredita-se que quando a simetria é quebrada durante a influência do campo de Higgs em outros campos, os bósons W e Z tornam-se massivos. A descoberta do bóson de Higgs é tão significativa que vários cientistas deram-lhe o nome de “partículas divinas”.

Os quarks se combinam em partículas (prótons, nêutrons e outros), que são chamadas hádrons. São eles que aceleram e colidem no LHC, daí o seu nome. Durante a operação do colisor, ficou provado que é simplesmente impossível separar um quark de um hádron. Se você tentar fazer isso, você simplesmente arrancará outro tipo de partícula elementar, por exemplo, de um próton - méson. Apesar de este ser apenas um dos hádrons e não conter nada de novo, um estudo mais aprofundado da interação dos quarks deve ser realizado em pequenos passos. Ao pesquisar as leis fundamentais do funcionamento do Universo, a pressa é perigosa.

Embora os próprios quarks não tenham sido descobertos durante o uso do LHC, a sua existência foi, até certo ponto, percebida como uma abstração matemática. As primeiras partículas desse tipo foram encontradas em 1968, mas somente em 1995 a existência de um “quark verdadeiro” foi oficialmente comprovada. Os resultados experimentais são confirmados pela capacidade de reproduzi-los. Portanto, a obtenção de resultado semelhante pelo LHC é percebida não como uma repetição, mas como uma prova solidária de sua existência! Embora o problema com a realidade dos quarks não tenha desaparecido em lugar nenhum, porque eles são simplesmente não pode ser selecionado dos hádrons.

Quais são seus planos?

A principal tarefa de criar uma “teoria de tudo” não foi resolvida, mas está em andamento um estudo teórico de possíveis opções para sua manifestação. Até agora, um dos problemas de combinar a Teoria Geral da Relatividade e o Modelo Padrão continua sendo o alcance diferente de sua ação e, portanto, o segundo não leva em conta as características do primeiro. Portanto, é importante ir além do Modelo Padrão e chegar ao limite Nova física.

Supersimetria – os cientistas acreditam que ele conecta campos quânticos bosônicos e fermiônicos, tanto que eles podem se transformar um no outro. É justamente esse tipo de conversão que vai além do Modelo Padrão, pois existe uma teoria de que o mapeamento simétrico de campos quânticos é baseado em grávitons. Eles, portanto, podem ser uma partícula elementar da gravidade.

Bóson de Madala– a hipótese sobre a existência do bóson de Madala pressupõe que exista outro campo. Somente se o bóson de Higgs interagir com partículas e matéria conhecidas, então o bóson de Madala interagirá com matéria escura. Apesar de ocupar a maior parte do Universo, a sua existência não está incluída no Modelo Padrão.

Buraco negro microscópico - Uma das pesquisas do LHC é criar um buraco negro. Sim, sim, exatamente aquela região negra e consumidora do espaço sideral. Felizmente, nenhuma conquista significativa foi alcançada nessa direção.

Hoje, o Large Hadron Collider é um centro de pesquisa multifuncional, a partir do qual são criadas e confirmadas experimentalmente teorias que nos ajudarão a compreender melhor a estrutura do mundo. Muitas vezes há ondas de críticas em torno de uma série de estudos em andamento que são considerados perigosos, inclusive de Stephen Hawking, mas o jogo definitivamente vale a pena. Não podemos navegar no oceano negro chamado Universo com um capitão que não tem mapa, nem bússola, nem conhecimento básico do mundo que nos rodeia.

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O LHC (Large Hadron Collider, LHC) é o maior acelerador de partículas do mundo, localizado na fronteira franco-suíça, em Genebra, e de propriedade do CERN. O principal objetivo da construção do Grande Colisor de Hádrons era procurar o bóson de Higgs, a partícula indescritível que é o último elemento do Modelo Padrão. O colisor completou a tarefa: os físicos descobriram uma partícula elementar com as energias previstas. Além disso, o LHC operará nesta faixa de luminosidade e operará como objetos especiais normalmente operam: a pedido dos cientistas. Lembre-se, a missão de um mês e meio do rover Opportunity se arrastou por 10 anos.

Tudo o que você vê ao seu redor é composto de partículas elementares – quarks e léptons, que podem se combinar para formar partículas maiores, como prótons ou átomos. Mas não para por aí: essas partículas subatômicas também podem se unir de maneiras exóticas que nunca vimos antes. A colaboração LHCb anunciou a descoberta de novas partículas chamadas “pentaquarks”. Os resultados do seu trabalho podem ajudar-nos a desvendar muitos dos mistérios da teoria dos quarks, uma parte crucial do Modelo Padrão.

O CERN é o maior acelerador de partículas do mundo. E valeu a pena construí-lo, mesmo que apenas pelo escopo dos experimentos que agora estão sendo realizados nele. No entanto, os experimentos atingiram tal escala que os físicos não conseguem mais construí-los por conta própria. Engenheiros qualificados os ajudam nisso. Quer saber como físicos e engenheiros estão trabalhando para atualizar o LHC e criar um sucessor do famoso acelerador de partículas?

Após uma série de experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC), especialistas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) anunciaram a descoberta de uma nova partícula chamada pentaquark, previamente prevista por cientistas russos.

O Large Hadron Collider (LHC) é um acelerador projetado para acelerar partículas elementares (em particular, prótons).

Está localizado na França e na Suíça e pertence ao Conselho Europeu de Pesquisa Nuclear (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN).

Naquela época, os cientistas não sabiam exatamente como a partícula que descobriram correspondia às previsões do Modelo Padrão. Em março de 2013, os físicos tinham dados suficientes sobre a partícula para declarar oficialmente que se tratava do bóson de Higgs.

Em 8 de outubro de 2013, o físico britânico Peter Higgs e o belga François Engler, que descobriram o mecanismo de quebra de simetria eletrofraca (devido a essa violação, as partículas elementares podem ter massa), receberam o Prêmio Nobel de Física pela “descoberta teórica de um mecanismo que forneceu informações sobre a origem das massas das partículas elementares.”

Em dezembro de 2013, graças à análise de dados usando redes neurais, os físicos do CERN traçaram pela primeira vez o decaimento do bóson de Higgs em férmions - léptons tau e pares b-quark e b-antiquark.

Em junho de 2014, os cientistas que trabalham no detector ATLAS, após processar todas as estatísticas acumuladas, esclareceram os resultados da medição da massa do bóson de Higgs. De acordo com seus dados, a massa do bóson de Higgs é de 125,36 ± 0,41 gigaelétron-volts. Isto é quase idêntico – tanto em valor quanto em precisão – ao resultado dos cientistas que trabalharam no detector CMS.

Em uma publicação de fevereiro de 2015 na revista Physical Review Letters, os físicos afirmaram que uma possível razão para a quase completa ausência de antimatéria no Universo e a predominância de matéria visível comum poderiam ser os movimentos do campo de Higgs - uma estrutura especial onde os bósons de Higgs "ao vivo". O físico russo-americano Alexander Kusenko, da Universidade da Califórnia em Los Angeles (EUA), e seus colegas acreditam que conseguiram encontrar a resposta para esse enigma universal nos dados coletados pelo Grande Colisor de Hádrons durante a primeira etapa de sua operação. , quando foi descoberto o bóson de Higgs, a famosa “partícula de Deus”.

No dia 14 de julho de 2015, soube-se que especialistas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), após uma série de experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC), anunciaram a descoberta de uma nova partícula chamada pentaquark, anteriormente prevista por Cientistas russos. O estudo das propriedades dos pentaquarks nos permitirá compreender melhor como funciona a matéria comum. A possibilidade da existência de pentaquarks, funcionários do Instituto de Física Nuclear de São Petersburgo em homenagem a Konstantinov Dmitry Dyakonov, Maxim Polyakov e Viktor Petrov.

Os dados coletados pelo LHC na primeira etapa do trabalho permitiram aos físicos da colaboração LHCb, que busca partículas exóticas no detector de mesmo nome, “capturar” várias partículas de cinco quarks, que receberam nomes temporários Pc(4450) + e PC(4380)+. Eles têm uma massa muito grande - cerca de 4,4-4,5 mil megaelétron-volts, o que é cerca de quatro a cinco vezes mais do que o mesmo valor para prótons e nêutrons, além de um spin bastante incomum. Pela sua natureza, são quatro quarks “normais” colados a um antiquark.

A confiança estatística da descoberta é de nove sigma, o que equivale a um erro aleatório ou mau funcionamento do detector em um caso em quatro milhões de bilhões (10 elevado à 18ª potência) de tentativas.

Um dos objetivos do segundo lançamento do LHC será a busca pela matéria escura. Supõe-se que a descoberta de tal matéria ajudará a resolver o problema da massa oculta, que, em particular, reside na velocidade de rotação anormalmente alta das regiões externas das galáxias.

O material foi elaborado com base em informações da RIA Novosti e fontes abertas