Большой адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер
О сайте
Порядок работы
Новости сайта
Контакт
Приёмная комиссия.
Вступительное задание.
Открытые уроки.
Учебники по физике.
Задачи по физике.
Справочник по физике.
Вопросы и консультации.
Рефераты.
Олимпиады и турниры.
Современная физика.
Весёлая наука.
Уголок крохобора.
Не только физика.
Директория ссылок.
Репетиторы.
Малая Академия Наук .

Форум.

info@abitura.com


Большой адронный коллайдер

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

Этот участок шкалы энергий называют терадиапазоном. Все это относится к той области физики, к которой обращаются, когда две элементарные частицы сталкиваются, имея суммарную энергию около одного тераэлектронвольта (1 ТэВ = 10 12 эВ). Машина, которая даст нам доступ к терадиапазону, — кольцевой ускоритель Большой адронный коллайдер (БАК) (Large Hadron Collider, LHC) сооружение которого в ЦЕРН близится к завершению.

Продвигаясь по шкале энергий от единиц электронвольт до терадиапазона, мы удаляемся от знакомого нам мира и попадаем в ряд других самых различных сфер знаний: от областей химии и электроники твердого тела (единицы эВ) до ядерных реакций (миллионы эВ) и далее на территорию, которую специалисты по физике частиц исследовали во второй половине прошлого столетия (миллиарды эВ).

Но что ждет нас в терадиапазоне, не знает никто. Однако сегодня можно уже с уверенностью сказать, что мы станем свидетелями принципиально новых явлений того или иного рода. Ученые надеются обнаружить давно разыскиваемые частицы, которые могли бы дать более полное представление о природе материи. Возможны и неординарные открытия, например обнаружение признаков существования новых измерений.

Физики уже строят планы относительно машины, предназначение которой — развить достигнутый успех. Десятикратное расширение энергетического диапазона БАК позволит повысить точность первых грубых «карт», построенных на основе полученных данных.

В конце «путешествия» к терадиапазону и за его пределы люди впервые узнают, из чего состоит организм человека и на основании каких законов функционирует наш мир. И подобно кольцевому ускорителю, создание которого уже близится к завершению, мы пройдем полный круг.

ФАБРИКА ОТКРЫТИЙ

Грэм Коллинз

Международный коллектив ученых готовится приступить к самому грандиозному в истории эксперименту по физике элементарных частиц

Большой адронный коллайдер (БАК), строительство которого близится к завершению, представляет собой огромное кольцо, расположенное под землей в сельской местности недалеко от Женевы. БАК позволит проникнуть в физику самых малых расстояний (вплоть до нанонанометра, или 10 –18 м) и достичь самых высоких из когда-либо исследованных энергий. Больше десяти лет специалисты по физике элементарных частиц с нетерпением ждали шанса исследовать диапазон, где энергии достигают тераэлектронвольт (1 ТэВ = 10 12 эВ), — терадиапазон. При таких энергиях, возможно, проявятся новые физические явления, такие как неуловимые частицы Хиггса (ответственные, как полагают, за существование массы у других частиц), а также частицы, которые образуют темную материю, составляющую большую часть вещества во Вселенной.

Ожидается, что уже в этом году, после девяти лет строительства, ученые смогут приступить к экспериментам. Процесс ввода в действие предполагает на первом этапе получение одного пучка, затем двух и, наконец, их столкновение; переход от низких энергий до терамасштаба; от пробных пучков малой интенсивности к более мощным, пригодным для получения экспериментальных данных с достаточной скоростью. На каждом этапе этого пути будут появляться трудности, которые предстоит преодолевать коллективу из 5 тыс. ученых, инженеров и студентов, участвующих в гигантском проекте. Чтобы собственными глазами увидеть ход подготовки к исследованиям на переднем крае области высоких энергий, прошлой осенью я посетил данный объект и удостоверился, что каждый, с кем мне довелось побеседовать, выразил уверенность в успехе, несмотря на несоблюдение графика строительства. Сообщество специалистов по физике элементарных частиц с нетерпением ждет первых результатов работы БАК. Франк Вильчек (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института выразил общее мнение, когда говорил о перспективах БАК как начале «золотого века физики».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

· Предполагается, что Большой адронный коллайдер (БАК), самая большая и самая сложная экспериментальная установка в области физики элементарных частиц, в этом году начнет работать.

· БАК будет ускорять протоны до самых высоких энергий, когда-либо достигавшихся в ускорителях, сталкивать их лоб в лоб 30 млн раз в секунду, создавая при каждом столкновении тысячи частиц, разлетающихся почти со скоростью света.

· Физики ожидают, что БАК откроет новую эру в физике элементарных частиц, и это поможет найти ответ на главные загадки строения материи и энергии во Вселенной.

Машина превосходных степеней

Большой адронный коллайдер по своими параметрам превосходит предшественников. Прежде всего, он будет создавать пучки протонов более высоких энергий, чем когда-либо прежде. Почти 7 тыс. магнитов, охлаждаемых жидким гелием до температуры ниже 2 градусов Кельвина, направляют и фокусируют два пучка протонов, летящих со скоростью, отличающейся от скорости света не более чем на одну миллионную процента. Каждый протон будет иметь энергию около 7 ТэВ, т.е. в 7 тыс. раз превышающую энергию покоя, содержащуюся в его массе (в соответствии с соотношением Эйнштейна E = mc 2 ). Это приблизительно в семь раз превышает энергию нынешнего рекордсмена — коллайдера Теватрон в Национальной лаборатории ускорителей им. Ферми в Батавии, штат Иллинойс. Важно также, что БАК рассчитан на то, чтобы создавать пучки с интенсивностью в 40 раз большей, чем удается достичь на Теватроне. При выходе на проектную мощность все циркулирующие в нем частицы будут нести энергию, примерно равную кинетической энергии 900 автомобилей, едущих со скоростью 100 км/ч, или достаточную, чтобы вскипятить 2 тыс. л воды.

Протоны будут двигаться в виде 3 тыс. сгустков, распределенных вдоль всей 27-километровой окружности коллайдера. Каждый сгусток, содержащий до 100 млрд протонов, в точках столкновений будет иметь длину в несколько сантиметров (как швейная игла) и диаметр всего 16 микронов (как самый тонкий человеческий волос). Иглы, сталкиваясь в зонах расположения детекторов, создадут более 600 млн столкновений частиц в секунду. Эти столкновения, или события, как их называют физики, фактически будут происходить между частицами, из которых состоят протоны, — кварками и глюонами. При максимальной энергии частиц будет высвобождаться приблизительно одна седьмая энергии, содержащейся в исходных протонах, или приблизительно 2 ТэВ. Четыре гигантские системы детекторов, самый большой из которых занял бы половину собора Нотр-Дам в Париже, а самый тяжелый содержит железа больше, чем Эйфелева башня, будут измерять параметры тысяч частиц, разлетающихся при каждом столкновении. Несмотря на огромный размер детекторов, монтаж отдельных элементов должен производиться с точностью 50 микронов.

КРАТКИЕ ФАКТЫ

СКОРОСТЬ ПРОТОНОВ:
99,9999991% от скорости света

ЧИСЛО ПРОТОНОВ В СГУСТКЕ:
до 100 млрд (1011)

ЧИСЛО СГУСТКОВ:
до 2808

ЧИСЛО ПРОХОЖДЕНИЯ ПУЧКАМИ ПРОТОНОВ ЗОН ДЕТЕКТОРОВ:
до 31 млн в секунду, в 4 зонах

ЧИСЛО СТОЛКНОВЕНИЙ ЧАСТИЦ ПРИ ПЕРЕСЕЧЕНИИ:
до 20

ОБЪЕМ ДАННЫХ НА ОДНО СТОЛКНОВЕНИЕ:
около 1,5 МБ

ЧИСЛО ЧАСТИЦ ХИГГСА:
1 каждые 2,5 секунды (при полной интенсивности пучка и согласно определенным предположениям о свойствах частиц Хиггса)

Почти 100 млн каналов данных, идущих от каждого из двух основных детекторов, могли бы за секунду заполнять 100 тыс. компакт-дисков, которые за шесть месяцев могли бы образовать штабель, достигающий Луны. Поэтому вместо того чтобы записывать всю информацию, в экспериментах предлагается использовать системы запуска и сбора данных, действующие как фильтр. Записывать и помещать в архив центральной вычислительной системы БАК в ЦЕРН (Европейская лаборатория по физике элементарных частиц и «родной дом» коллайдера) будут только 100 событий в секунду, представляющих наибольший интерес.

Несколько тысяч компьютеров в ЦЕРН будут обрабатывать первичные данные и формировать базы, удобные для последующего анализа. Дальнейшая работа будет проводиться на распределенной вычислительной сети (GRID), объединяющей десятки тысяч компьютеров в институтах во всем мире, связанных с дюжиной крупных центров на трех континентах, которые в свою очередь соединены с ЦЕРН выделенными оптическими кабелями.

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН
УПРАВЛЕНИЕ ускорителем БАК будет производиться из центра управления ЦЕРН (внизу справа). Детекторы имеют свои собственные центры управления

Путешествие в тысячу шагов

В начале ноября 2007 г. специалисты закончили монтаж системы магнитов. А к середине декабря один из восьми секторов охладили до рабочей температуры, и началось охлаждение второго сектора. После проверки всех секторов ускорителя запланировано проведение тестовых экспериментов по ускорению протонов.

Ряд вспомогательных ускорителей, создающих пучок протонов с энергией 0,45 ТэВ для ввода в главное кольцо, уже прошли испытания. Для тестовых экспериментов предполагается использовать пучки протонов малой интенсивности, чтобы уменьшить риск повреждения аппаратуры. При первом запуске в каждом направлении будет циркулировать только один сгусток протонов с энергией 7 ТэВ.

Выход ускорителя на проектную мощность будет происходить точно выверенными шагами. К сожалению, от проблем не уйти. И на этом пути, если каждый сектор магнита для ремонта придется отогревать до комнатной температуры, запуск отодвинется на месяцы.

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН
РЕМОНТ МАГНИТА в 2007 г. пришлось провести после того как во время проверки на механическую прочность обнаружился дефект конструкции

Для завершения сборки и наладки четырех экспериментальных установок — ATLAS, ALICE, CMS и LHCb — также потребуется время. Они должны быть введены в строй прежде, чем начнется работа с пучком. Некоторые чрезвычайно хрупкие блоки все еще монтируются, например так называемый детектор положения вершины события, который был установлен в LHCb в середине ноября. На меня как на человека, специализировавшегося в теоретической, а не в экспериментальной физике, произвели большое впечатление толстые жгуты из тысяч кабелей для передачи данных от детекторов.

Несмотря на то что до начала работы ускорителя должен пройти не один месяц, некоторым студентам и молодым ученым уже удалось получить экспериментальные данные. Космические лучи, пронизывающие франко-швейцарские горы, спорадически проходят через детекторы и фиксируются датчиками. Это позволяет в реальных условиях удостовериться, что все вместе работает правильно — от подачи напряжения на элементы детектора до электроники и программного обеспечения.

ЛЮБОПЫТНЫЕ ФАКТЫ

НАКЛОН
Туннель БАК наклонен относительно горизонтали на 1,4%, чтобы поместить возможно большую его часть в монолитной скале. Он находится на глубине около 50 м со стороны Женевского озера, противоположная часть залегает на глубине 175 м

ФАЗЫ ЛУНЫ
В полнолуние, во время прилива, земля вблизи от Женевы поднимается на 25 см, увеличивая протяженность БАК на 1 мм и изменяя энергию пучка на 0,02%. Экспериментаторы должны учитывать этот эффект: необходимо контролировать энергию пучка с точностью до 0,002%

ВОСЬМИУГОЛЬНИК
Туннель БАК фактически имеет форму восьмиугольника с четырьмя дугами, соединенными короткими прямыми секциями, в которых располагаются экспериментальные установки (детекторы) и системы управления пучком

Теперь все вместе

Уже в ближайшее время ученым предстоит решить колоссальные по сложности задачи. При расчетной «светимости» пучка в каждом столкновении подобных иглам сгустков протонов будет происходить 20 событий в интервале всего 25 нс. Частицы, разлетающиеся из точки одного столкновения пучков, будут все еще пролетать через внешние слои детектора, когда уже произойдет следующее столкновение. Индивидуальные элементы в каждом из слоев детектора реагируют на определенные частицы. Миллионы каналов данных от детектора создают приблизительно мегабайт информации от каждого события; каждые две секунды это получается петабайт (миллиард мегабайтов).

Система обработки данных должна уменьшить данный поток до управляемой величины, и она имеет несколько уровней. Первый будет получать и анализировать данные только от подмножества компонентов всего детектора, из которого он может отбирать перспективные со Система запуска более высокого уровня передает приблизительно 100 событий в секунду на концентратор вычислительных ресурсов глобальной сети БАК — распределенную вычислительную сеть БАК (GRID). Сеть объединяет мощности вычислительных центров и делает их доступными пользователям, которые смогут входить в эту сеть прямо из кабинетов в своих институтах (см.: Фостер Я. Глобальная сеть: вычисления без границ // ВМН, № 7, 2003).

Сеть БАК организована в виде рядов. Ряд 0 находится непосредственно в ЦЕРН и состоит из тысяч стандартных компьютерных процессоров как в обычных, так и в узких, похожих на коробки для пиццы корпусах элегантного черного цвета, размещенных на полках штабелями (илл. на противоположной стр.). Компьютеры до сих пор поступают и подключаются к системе. Люди, ответственные за поставки, ищут самые выгодные предложения, избегая новейших и самых мощных моделей в пользу более экономичных вариантов.

 ПРЕДЪЯВИТЕ ВАШ ПАСПОРТ

В международном во всех отношениях проекте БАК участвуют 20 государств — членов ЦЕРН в Европе, государства-наблюдатели, такие как США, Япония, Россия, а также другие страны, например Канада и Китай

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

Данные, передаваемые на ряд 0 системами сбора и накопления данных, будут архивироваться на магнитной ленте. Это может показаться старомодным в эру дисков DVD/RAM и флэш-памяти, но Франсуа Грей (Franсois Grey) из Вычислительного центра ЦЕРН считает, что это самый рентабельный и надежный подход.

Ряд 0 распределяет данные между 12 центрами ряда 1, которые расположены в ЦЕРН и в 11 других ведущих институтах во всем мире, включая Лабораторию Ферми и Национальную лабораторию в Брукхейвене, США, а также центры в Европе, Азии и Канаде. Таким образом, необработанные данные будут существовать в двух копиях: одна в ЦЕРН, а другая — распределенная по всему миру. Каждый центр ряда 1 будет также иметь полный набор данных в компактной форме, со структурой, удобной для проведения исследований.

Полная распределенная вычислительная сеть БАК включает также центры ряда 2, которые представляют собой вычислительные центры в университетах и научно-исследовательских институтах. Установленные здесь компьютеры будут вести распределенную обработку для всей сети в ходе анализа данных.

 ОДНО КОЛЬЦО ДЛЯ ВСЕХ ПУЧКОВ

В Большом адронном коллайдере (БАК) трудятся в одной упряжке надежные старые «рабочие лошади» и новаторские «бегемоты». Ускорители, работающие десятилетия, в том числе Протонный синхротрон (PS) и Протонный суперсинхротрон (SPS), создают протоны со скоростью 99,99975% от скорости света. БАК повышает энергию протонов еще почти в 16 раз и сталкивает их между собой 30 млн раз в секунду в течение 10 часов. Четыре главных детектора производят в секунду более чем 100 терабайт данных бытия, исходя из отдельных факторов, таких как, например, обнаружение мюона высокой энергии, вылетающего под большим углом к оси пучка. Этот так называемый уровень запуска номер один будет поддерживаться сотнями специализированных компьютерных плат со схемной реализацией логики. На данной стадии отбираются 100 тыс. блоков данных в секунду для более тщательного анализа на следующей стадии с помощью механизма запуска более высокого уровня.

Система запуска этого следующего уровня, напротив, получает данные от всех миллионов каналов детектора. Ее программное обеспечение будет работать в сети из большого числа компьютеров при среднем времени между блоками данных, отобранных системой запуска первого уровня, равным 10 мкс. Программы будут иметь достаточно времени, чтобы «реконструировать» каждое событие. Другими словами, программа будет проектировать следы частиц к общим исходным точкам и таким образом сформирует согласованный набор данных — энергий, импульсов, траекторий и т.д. — для частиц, возникших в каждом событии.

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

1. УСКОРИТЕЛЬ LHC
Почти 7 тыс. сверхпроводящих магнитов направляют пучки протонов по кольцевому туннелю, который был вырыт в 1989 г. для Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP), и фокусируют их до толщины волоса

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

2. CMS
Компактный мюонный соленоид (Compact Muon Solenoid, CMS) — один из двух огромных детекторов общего назначения, на котором будут вести поиск частиц типа бозонов Хиггса и других новых явлений. Установка содержит пять огромных цилиндрических слоев детекторов, наподобие показанного здесь, и концевые крышки

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

3. LHCb
Этот детектор предназначен для поиска «красивых» или «нижних» (beauty или bottom, сокращенно — b) кварков и антикварков, чтобы понять, чем обусловлено таинственное отсутствие антивещества во Вселенной. Детектор расположен только по одну сторону от точки столкновения

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

4. ATLAS
Тороидальная установка БАК (A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS) — детектор общего назначения с уникальной кон-струкцией, основанной на тороидальных магнитах вместо традиционного соленоида. «Большие диски» детекторов (справа) регистрируют ключевые частицы, называемые мюонами

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

5. ALICE
В Большом эксперименте на коллайдере ионов (A Large Ion Collider Experiment, ALICE) будут изучаться столкновения ионов свинца, при которых возникают «файерболы» («огненные шары»), образованные кварк-глюонной плазмой. Здесь также будут изучать протон-протонные столкновения как опорную точку для других экспериментов

Тернистый путь

Несмотря на использование новых технологий, готовых к подключению в режиме реального времени, в ходе сборки Большого адронного коллайдера происходили сбои и задержки. И это не стало неожиданностью. В прошлом марте во время испытаний произошел «серьезный отказ» одного из магнитов, используемых для фокусировки протонных пучков непосредственно перед точкой столкновения («квадрупольный магнит»). При проверке на механическую прочность при потере катушкой сверхпроводимости во время работы с пучком, часть креплений магнита разрушилась, при этом произошел выброс газообразного гелия. (Кстати, когда рабочие или журналисты входят в туннель, они берут с собой небольшие аварийные дыхательные аппараты.)

Такие магниты устанавливаются группами по три единицы, для сжатия пучка в горизонтальном, затем в вертикальном и снова в горизонтальном направлениях. Такая последовательность обеспечивает точную фокусировку пучка. В БАК используются 24 такие группы. Сначала ученые БАК не знали, не придется ли извлечь из туннеля и поднять на поверхность для переделки все 24 группы, что, возможно, сдвинуло бы график запуска на недели. Причиной неполадки оказалась ошибка при конструировании: проектировщики магнита (исследователи из лаборатории Ферми) не смогли учесть все виды нагрузок. Исследователи из ЦЕРН и лаборатории Ферми лихорадочно работали над решением проблемы, придумывая способ укрепления неповрежденных магнитов прямо в туннеле ускорителя. (Тройку, поврежденную в ходе испытаний, подняли на поверхность для ремонта.)

В июне генеральный директор ЦЕРН Роберт Эймар (Robert Aymar) объявил, что из-за неисправности магнита и ряда других проблем он вынужден отложить запланированный на ноябрь 2007 г. запуск ускорителя до весны этого года. Чтобы сохранить график ввода в эксплуатацию, энергию пучка предполагается наращивать быстрее, чтобы уже к июлю «заняться физикой».

 СЛИШКОМ МНОГО ИНФОРМАЦИИ

При 20 столкновениях, происходящих в центре каждого детектора через каждые 25 нс, БАК создает больше данных, чем можно зарегистрировать. Так называемые системы запуска выбирают крошечную долю данных, представляющих наибольших интерес, и отбрасывают остальные. Глобальная сеть компьютеров, называемая распределенной сетью (GRID), предоставляет тысячам исследователей во всем мире доступ к сохраненным данным и вычислительные мощности для обработки и анализа

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН

Постоянная отсрочка запуска вызывает беспокойство — чем больше времени требуется БАК, чтобы начать производить значительные количества данных, тем больше возможностей открывается перед все еще работающим Теватроном. Например, найти свидетельство существования бозона Хиггса или что-то не менее захватывающее — в том случае, если природа сыграла злую шутку и дала бозону достаточную массу для того, чтобы обнаружить его уже теперь в растущей горе данных лаборатории Ферми.

В сентябре 2007 г. была выявлена еще одна серьезная проблема: подвижные медные штифты в сменных модулях каналов пучка сломались после того как сектор ускорителя был охлажден до криогенных температур, необходимых для работы, и затем снова отогрет до комнатной температуры.

Весь сектор, на котором проводилось испытание, состоит из 366 сменных модулей, и вскрытие каждого для осмотра и, возможно, ремонта, представляло собой весьма трудоемкую задачу. Команда, занимавшаяся данной проблемой, предложила вставить в канал пучка шар, немного меньший, чем шарик для пинг-понга — достаточно маленький, чтобы поместиться в канале и двигаться по нему под действием сжатого воздуха, и достаточно большой, чтобы остановиться в деформированном модуле. В шар был помещен радиопередатчик, настроенный на 40 МГц — т.е. на ту же частоту, с которой будут двигаться по каналу сгустки протонов. К всеобщему удовлетворению оказалось, что со сбоями работали только шесть модулей сектора.

Когда в ноябре был закончен монтаж соединений между магнитами ускорителя, кольцо замкнулось, открывая дорогу к началу процесса охлаждения всех секторов. Руководитель проекта Лин Эванс (Lyn Evans) заметил: «Для ускорителя такой сложности дела идут достаточно гладко, и мы с нетерпением ждем лета, когда Большой адронный коллайдер начнет выдавать первые данные».

большой адронный коллайдер, не правильно большой андронный коллайдер, БАК, ЦЕРН
ТЫСЯЧИ процессоров в ЦЕРН объединены, чтобы обеспечить достаточную вычислительную мощность для обработки данных, поступающих от детекторов

 

Перевод: Б.А. Квасов

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

· Большой адронный коллайдер. Chris Llewellyn Smith in Scientific American, Vol. 283, No. 1; pages 70-77; July 2000.

· Открываем квантовый мир: www.inter-actions.org/quantumuniverse/qu2006

· Страницы ЦЕРН для широкой публики: http://public.web.cern.ch/public

· Эксперименты на БАК: http://lhc.web.cern.ch/lhc/LHC_Experiments.htm

· Блоги США по теме « БАК »: Monica Dunford, Pamela Klabbers, Steve Nahn and Peter Steinberg. См. www.uslhc.us/blogs

· Ежедневная информация о состоянии дел с запуском БАК: http://lhc.web.cern.ch/lhc

май 2008 № 5 "В МИРЕ НАУКИ"
Специальный репортаж

 

Смесители для ванной на сайте www.piastrella.info.

О сайте
Порядок работы
Новости сайта
Контакт
Вверх .

Главная страница .

Rambler's Top100Rambler's Top100