Големият адронен колайдер

LHC - Големият адронен колайдер

Големият адронен ускорител или Големият адронен колайдер (на английски: LHC, Large Hadron Collider) е най-големият и мощен колайдер (ускорител на частици) в света, който се намира в Европейския център за ядрени изследвания CERN (Centre europeen de recherche nucleaire).

    Той е предназначен за ускоряване на насрещни снопове протони и тежки йони. Целта на проекта LHC е преди всичко да бъде открит Хигс бозонът — най-важната все още ненаблюдавана експериментално елементарна частица, предсказана теоретично от стандартния модел (СМ), а така също и да се търсят физически явления извън рамките на СМ. Планира се да се отдели внимание на изследването на свойствата на W и Z бозоните, на ядрените взаимодействия при свърхвисоки енергии и процесите на раждане и разпад на тежки кварки (b и t).

    Разположен е в тунел с дължина на окръжността 27 километра и на дълбочина от 50 до 175 метра под френско-швейцарската граница в близост до Женева. Конструкцията съдържа 1624 свръхпроводящи електромагнита, които работят при температура 1,9 K (-271,25 °C). В построяването и експлоатацията му участват повече от 10 000 учени и инженери от 100 страни.

    Ускорителят LHC е предвиден за изследване на сблъсък на високоенергетични протони със сумарна енергия 14 TeV (14·1012eV, 7 TeV всеки), а така също и на ядра на оловото с енергия 5,5 GeV (5,5·109 eV).

    Идеята за проекта LHC се ражда през 1984 г. и е официално одобрена десет години по-късно. Строителството му започва през 2001 г., когато е завършен предишният голям ускорител на CERN — електрон-позитронният ускорител LEP (Large Electron-Positron Collider). Големият адронен ускорител е официално открит на 21 октомври 2008 г.

    На 4 юли 2012, говорителите на опитите ATLAS и CMS обявяват, че са открили нова частица с маса 125.3 GeV ± 0.6 GeV, което я прави най-масивната наблюдавана елементарна частица. Новата частица е бозон и е вероятно да е предвидения от Стандартния модел бозон на Хигс. Стандартният модел не предвижда съществуването на други частици, освен бозона на Хигс, и следващите опити в ЦЕРН се очаква да покажат дали новооткритата частица е дълго търсения бозон на Хигс. Учените от ЦЕРН не изключват възможността освен свойствата, предречени от Стандартния модел, новооткритата частица на притежава и други, или пък да не е съвместима с бозона на Хигс, което ще отвори вратите за разработването на физични теории отвъд Стандартния модел.

    LHC е цик­ли­чен, кръ­гов уско­ри­тел, със­тоящ се от 27-километров пръс­тен от свръх­п­ро­во­дящи елек­т­ро­маг­нити и уско­ря­ващи струк­тури, които пре­да­ват енер­гия на час­ти­ците. Уско­ря­ва­щите струк­тури (нари­чат се още уско­ря­ващи резо­на­тори) уско­ря­ват час­ти­ците пос­ред­с­т­вом елек­т­ро­маг­нитни полета. Елек­т­ро­маг­нит­ните насоч­ват час­ти­ците по про­те­же­ние на уско­ри­теля и същев­ре­менно ги фоку­си­рат в сноп. Кол­кото по-тесен е сно­път (по-добре фоку­си­ран), тол­кова по-малка е тръ­бата на снопа, в която се уско­ря­ват час­ти­ците. Час­ти­ците в LHC (и във всички други уско­ри­тели на еле­мен­тарни час­тици) трябва да са елек­т­ри­чески заре­дени, тъй като ако са елек­т­ри­чески неут­рални, няма да се уско­рят, насо­чат и фоку­си­рат от елек­т­ро­маг­нит­ните полета. Голе­мият адро­нен колай­дер е кон­с­т­ру­и­ран да уско­рява адрони (от където и адро­нен в името) – това са час­ти­ците, които учас­т­ват в сил­ното вза­и­мо­дейс­т­вие. В зави­си­мост от целта на екс­пе­ри­мента, в LHC се уско­ря­ват про­тони или тежки йони.     Тръ­бите на сно­по­вете в голе­мия адро­нен колай­дер са две и имат диа­ме­тър около 6,3 cm. В тях се под­държа много висока сте­пен на вакуум, за да няма моле­кули, които да отне­мат енер­ги­ята на час­ти­ците в снопа пос­ред­с­т­вом удари помежду им. Двата снопа се дви­жат в про­ти­во­по­ложни посоки и се пре­си­чат в чети­рите детек­тора раз­по­ло­жени на LHCATLAS, ALICE, CMS и LHCb. При пре­си­ча­нето на сно­по­вете, час­ти­ците се сблъс­к­ват (оттук и думата collider в името) и поро­де­ните нови час­тици се заси­чат от детек­тора, където е ста­нал сблъ­съка. Мак­си­мал­ната енер­гия на час­ти­ците, за която е кон­с­т­ру­и­ран LHC е 7 TeV на сноп, което води до общо 14 TeV енер­гия при сблъсък.
  До този момент, мак­си­мал­ната дос­тиг­ната енер­гия е 8 TeV (2 x 4 TeV). В нача­лото на 2013 година до края на 2014 година голе­мият адро­нен колай­дер ще бъде спрян за про­верки и обно­вя­ва­ния на инф­рас­т­рук­ту­рата и сис­те­мите. В нача­лото на 2015 година се очаква уско­ри­те­лят да зара­боти с уве­ли­чена енер­гия на сблъ­сък – 13 TeV.

 

Криогенната система на LHC


    Физика на ниските температури е клон на физиката, която се занимава с производството и последиците от много ниски температури . Големият адронен колайдер ( LHC ) е най-голямата криогенна система в света и едно от най-студените места на Земята . Всички магнитите на LHC са електромагнити - магнити, при които магнитното поле се произвеждат от протичането на електрически ток . Основните магнити на LHC работят при температура от 1,9 К ( -271,3 ° C ) , по-студена от 2,7 K ( -270,5 ° C ) на космоса.

    Криогенната система на LHC изисква 40000 херметични тръбни уплътнители, 40 мегавата електричество - 10 пъти повече, отколкото е необходимо за задвижване на локомотива - и 120 тона хелий да запази магнитите на 1,9 K.

 

Екстремен студ за изключителни изследвания

    За да се получи силно фокусиран сноп от частиците (протони) през целия 27-километров пръстен на колайдеря, в LHC се използват магнити, които създават магнитно поле с магнитна индукция 8,33 тесли - 100 000 пъти по-голямо от земното магнитно поле. По намотките на електромагнитите се пуска да тече електричен ток от 11 850 ампера. Този силен ток обаче би довел до прегряване на проводните на намотките и отделяне на голямо количество топлина. Тогава решението било да се използват свръхпроводници - веществата, съпротивлението на които става нула при много ниски температури.

    В магнитите на LHC се използва ниобий-титаниева сплав за свръхпроводници, които стават такива при температура 1,9 K (-271,3 °C). А за да се достигнат такива ниски температури се използват криогенни системи с хелий.

    Процесът на охлаждане на системите протича няколко седмици и на три етапа. През първия етап хелият се охлажда първо до 80 К, като се използват около 10 000 тона течен азот. След това охлаждането продължава до 4,5 К (-268,7° C)  чрез турбини - втори етап. През третия етап хелият се охлаждане до 1,9 K ( -271,3 ° C ).

Вакуум като в космическото пространство

    С първият старт на потока от частици LHC става най-голямата вакуумна система в света.

   Необикновеното в LHC е наличието на три вакуумни системи: първата за потока от частици, втората - за магнитите, и третата - за хелия. Интересно е да се отбележи, например, че в системата, в която се движат частиците, налягането е от порядъка на 10-10 до 10-11 mbara- това е вакуум, който е по-рядък дори от този на Луната.