Устройство большого адронного коллайдера

Как же работает большой адронный коллайдер? В основе работы БАК, как и всех ускорителей, заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Как уже упоминалось, скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо.

Адронный коллайдер 2009

Всё кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов. Под воздействием магнитного поля элементарные частицы не улетают прочь по касательной, а остаются внутри кольца. Кроме того, специальные фокусирующие магниты не дают протонам во время движения колебаться в продольном направлении и задевать стенки вакуумной трубы, в которой осуществляется движение.

Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Магниты используются двух видов — квадропульные (392 шт.) и дипольные (1232 шт.). Именно дипольные магниты удерживают частицы, тогда как квадропульные магниты нужны для того, что бы максимально повысить шансы на взаимодействие частиц, которые может произойти в местах пересечения труб. Общий вес одного магнита составляет более 27 тонн.

Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для проведения в рабочее состояние их необходимо охлаждать до температуры 1,9 К (или -271,3 градуса по Цельсию). Это ниже, чем температура в открытом космическом пространстве (2,7 К или -270,5 градуса по Цельсию). Чтобы охладить 36800 тонн конструкции и получить космический холод в земных условиях, для БАК пришлось создать мощнейшую криогенную систему, содержащую более 40000 герметичных сварных швов, и использующую 10000 тонн жидкого азота и 130 тонн жидкого гелия.

В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. В точке столкновения протонов ожидается температура более чем в 100 тым. раз выше, чем в центре Солнца, при том, что сверхпроводящие магниты БАКе будут охлаждены до -271,3 градуса по Цельсию. Так что, можно сказать, БАК — это одновременно и самая горячая, и самая холодная машина в мире.

Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.

При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» — элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в будущем по тем же трубам будут ускорять не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.

Однако столкнуть две частицы «лоб в лоб» — это только половина дела. К сожалению, сегодня в распоряжении ученых нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму, которая исчезнет без следа через ничтожно короткий промежуток времени 10 (в минус 23 степени) секунды. О результатах эксперимента приходится судить по следам, оставленным частицами, родившимися в ходе эксперемаента. Для регистрации чатиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы — детекторы. Их шесть — ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (Yhe Large Hadron Collider beauty experiment), TOTEM (TOTal Elastic and diffraclive cross section Measurement) и LHCf (The Large Hadron Collider forward).

Адронный коллайдер 2010

Детектор под название ALICE предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы. Детекторы ATLAS и CMS, как надеются физики, смогут «поймать» бозон Хиггса и темную материю. Задача детекторы LHCb — исследование физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией. TOTEM — для изучения «несталкивающихся частиц» (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же «несталкивающихся частиц».

Количество информации, получаемой этими детекторами беспрецедентно велико, к тому же ее требуется передавать во все страны, где работают участники экспериментов. Поэтому в ЦЕРНе создается новая система для быстрого распространения огромных массивов данных — GRID. Эта система должна будет хранить и обсчитывать данные, получаемые с детекторов ускорителя. Поток данных будет достигать 15 млн. гигабайт в год, что соответствует стопке из 100 тыс. DVD. Возможно система GRID станет и прообразом нового Суперинтернета.Учитывая, что сам Интернет и Всемирная паутина родились, именно в ЦЕРНе. Здесь уже в 80-е годы стала насущной задача быстрой передачи больших международных коллективов ученых, разбросанных по все континентам. В результате в ЦЕРНе был впервые создан прототип Всемирной паутины и разработано соответствующее программное обеспечение.