Большой адронный коллайдер

Финансирование проекта

 

Оценить общую  стоимость проекта сложно, так  как строительство самого ускорителя и его экспериментов (детекторов) финансируется отдельно, в финансировании участвует много стран, и не все  деньги идут непосредственно через CERN. К тому же, ремонт ускорителя уже обошёлся дороже, чем ожидалось.

Ожидалось в 2001 году, что общая стоимость проекта  составит около 4,6 млрд швейцарских  франков (3 млрд евро) за сам ускоритель (без детекторов) и 1,1 млрд швейцарских  франков (700 млн евро) составит доля CERN в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов).

Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 2,6 млрд швейцарских франков (1,6 млрд евро), с добавочными 210 млн франков (140 млн евро) на эксперименты. Однако, как следствие сокращения бюджета CERN, стоимость была сокращена в 2001 году до 480 млн франков (300 млн евро) за ускоритель и 50 млн франков (30 млн евро) на эксперименты, что привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года. Запуск БАК переносился не только из-за проблем с финансированием. В 2007 году выяснилось, что поставленные Fermilab детали для сверхпроводящих магнитов не удовлетворяли конструкционным требованиям, из-за чего запуск коллайдера был перенесен на год.

Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил — 6 млрд долларов, что делает его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества. Именно столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством Европейской организации ядерных исследований. Доля российских учёных в этом международном проекте тоже немаленькая. В нём задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 миллионов долларов.

Также следует  учесть, что официальная стоимость  проекта БАК не включает стоимость  ранее существовавших в CERN инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование LHC смонтировано в тоннель ранее существовавшего коллайдера LEP, и используется многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. В противном случае, если бы БАК пришлось бы строить с нуля, то стоимость БАК возросла бы в разы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технические характеристики

 

Ускоритель  расположен в том же туннеле, который  прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,659 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Тоннель содержит две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно и пересекаются в местах расположения детекторов, в которых будут осуществляться столкновения адронов - частиц, состоящих из кварков (для столкновений будут использоваться ионы свинца и протоны).

 Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгоняться протоны начинают не в самом БАК, а во вспомогательных ускорителях. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию («впрыскивание») протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон) длиной 6,9 километра, где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Ускорители, работающие десятилетия, в том числе Протонный синхротрон (PS) и Протонный суперсинхротрон (SPS), создают протоны со скоростью 99,99975% от скорости света. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо, БАК повышает энергию протонов еще почти в 16 раз, т.е. доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ и сталкивает их между собой 30 млн раз в секунду в течение 10 часов и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

В течение всего  пути протоны направляет мощное магнитное поле, создаваемое 1624 сверхпроводящими электромагнитами, общая длина которых превышает 22 км. Они же в свою очередь состоят из катушек специального электрического кабеля, функционирующего как сверхпроводник, т.е. проводящего электрическую энергию без сопротивления и потерь. Для этого магниты должны быть охлаждены до -271°C, что, кстати, ниже температуры в открытом Космосе. Это и есть причина по которой большая часть ускорителя связана с системой распределения жидкого гелия, который охлаждает как сами магниты, так и другие вспомогательные системы.

 

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.

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.

 

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 10²⁹ частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5·10³² до номинальной 1,7·10³⁴ частиц/см²·с. Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

Все системы  контроля над ускорителем и его  технической инфраструктурой сосредоточены  в Контрольном центре CERN. Именно из этого центра будет приведен в действие процесс столкновения частиц, и именно сюда будет поступать вся информация с детекторов.

Детекторы

На БАК  работают 4 основных и 2 вспомогательных детектора:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid) - Компактный мюонный соленоид
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb —  большие детекторы, расположенные  вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные,  находятся на удалении в несколько  десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Два наиболее крупных  проекта под кодовыми названиями ATLAS и CMS имеют в распоряжении 2 поливалентных детектора, предназначенные для анализа несметного числа частиц, которые образуются во время столкновения в ускорителе, что таким образом позволит изучить самые различные аспекты физики. Благодаря двум детекторам, разработанным независимо друг от друга, полученная информация, в случае открытия, сможет быть сравнена и проверена. Проект ATLAS направлен на изучение широкого спектра областей физики от исследования бозона Хиггза до частиц других размеров, а также поиск тех частиц, которые могли бы образовывать темную материю.

ALICE — для  изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца. В рамках проекта ALICE, в коллайдере столкнутся ионы свинца, чтобы создать в лаборатории условия, подобные которым существовали сразу после Большого Взрыва. Полученные данные позволят изучать эволюцию материи с момента зарождения Вселенной до наших дней.

Столкновения, которые произойдут в БАКе, вызовут температуру в 100 000 раз превышающую температуру, царящую в центре Солнца. Ученые-физики надеятся что при такой температуре протоны и нейтроны «расплавятся», высвободив кварки от влияния глюонов. Они предполагают, что подобное состояние существовало сразу после Большого Взрыва, когда Вселенная была так же раскалена. Частицы, из которых состоит сегодня наша Вселенная, протоны и нейтроны, вероятно сформировались в этой плазме.

 LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией,

Последние два  опыта, гораздо более скромного  масштаба, TOTEM и LHCf подвергнут анализу адроны, высвобождающиеся в момент лобового столкновения. Далеко не все частицы, двигаясь в противоположных направлениях, ударяются друг о друга. Их лишь малая доля. Некоторые едва лишь касаются друг друга, в то время как большая часть, не встретив препятствий на своем пути, продолжают свободное движение. Объектом исследования TOTEM и LHCf становится вторая группа частиц, то есть те которые слегка задевают другие, и в силу этого минимально отклоняются от траектории пучка. Так же в рамках проекта ТОТЕМ будет произведено перевычисление размеров протонов. Использование частиц в проекте LHCf направлено на искусственное создание космических лучей в условиях лаборатории. Космические лучи – это заряженные частицы межзвездного пространства, которые беспрестанно бомбардируют верхние слои атмосферы Земли.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распределенная компьютерная сеть GRID

 

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.

Для обработки  результатов экспериментов на БАК  будет использоваться выделенная распределенная компьютерная сеть GRID, способная передавать до 10 гигабит информации в секунду в 11 вычислительных центров по всему миру. Каждый год с детекторов будет считываться более 15 петабайт (15 тысяч терабайт) информации: суммарный поток данных четырех экспериментов может достигать 700 мегабайт в секунду.

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. Распределенная сеть (GRID), предоставляет тысячам исследователей во всем мире доступ к сохраненным данным и вычислительные мощности для обработки и анализа.

 

 

 

 

 

Вывод

 

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

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10¹² электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·10⁹ электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010-го года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры.

В 2013 году CERN планирует  модернизировать БАК, установив  на него более мощные детекторы и  увеличив общую мощность коллайдера. Проект модернизации называют Супер большим адронным коллайдером (Super Large Hadron Collider, SLHC). Также планируется строительство Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC). Его труба будет длиной в несколько десятков километров, и он должен быть дешевле БАК за счет того, что в его конструкции не требуется применять дорогостоящие сверхпроводящие магниты. Строить ILC, возможно, будут в Дубне.

Также некоторые  специалисты CERN и ученые США и  Японии предлагали после окончания  работы БАК начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером (Very Large Hadron Collider, VLHC).

Список литературы

 

1.  И.М. Дремин. Физика на Большом адронном коллайдере. // УФН: журнал. — 2009. — Т. 179. — № 6.

2. Н. Никитин,  Время искать Хиггс

3. http://elementy.ru/LHC (Большой адронный коллайдер — научно-популярный проект, посвящённый БАК)

4. http://www.abitura.com/modern_physics/bac.htm

5. http://www.studies-science.ru/chto-takoe-bolshoj-adronnyj-kollajder-i-pochemu-on-ne-rabotaet