Большой Адронный Коллайдер: Что это? Зачем он нужен? Кому он нужен?

Большой А
         Адр
           дронный
             онный
    Коллайдер:
                Что это?
            Зачем он нужен?
            Кому он нужен?

к.ф.м.н. Сивоклоков С.Ю. (ст.н.с. НИИЯФ МГУ)

БАК = LHC             (Large Hadron Collider)
●   “Большой” - кольцо 27 км. Крупнейший в мире
●   “Адронный” - потому, что в кольце ускорителя
    сталкиваются протоны, являющиеся т.н. адронами
    (от др.-греч. ἁδρός «крупный», «массивный»; термин
    предложен советским физиком Л. Б. Окунем в 1962
    году для обозначения класса т.н. сильно-
    взаимодействующих частиц
●   “Коллайдер” - тип ускорителя. Пучки протонов
    ускоряются в двух независимых кольцах магнитов (в
    одном тоннеле) почти до скорости света и затем
    сталкиваются (“collide”) в определённых точках, где
    расположены детекторы для регистрации
    результатов соударений.

LHC построен в ЦЕРНе (CERN -Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)
Сейчас -Европейская лаборатория физики частиц,
Создана в 1954г (12 ->20стран. Россия – статус наблюдателя,в 2012 - заявка)
Находится в пригороде Женевы, на границе Швейцарии и Франции.

LHC построен в ЦЕРНе (CERN -Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)
Сейчас -Европейская лаборатория физики частиц,
Создана в 1954г (12 ->20стран. Россия – статус наблюдателя,в 2012 - заявка)
Находится в пригороде Женевы, на границе Швейцарии и Франции.

 В ЦЕРНЕ постоянно работает около 2500 человек, ещё около 8000 человек
 (физики, инженеры и техники) из более чем 850 институтов и университетов
 Из 85 стран работают периодически, участвуя в совместных экспериментах.
 (Россия – около 800 человек)

LHC построен в ЦЕРНе (CERN -Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)
Сейчас -Европейская лаборатория физики частиц,
Создана в 1954г (12 ->20стран. Россия – статус наблюдателя)
Находится в пригороде Женевы, на границе Швейцарии и Франции.

 В ЦЕРНЕ постоянно работает около 2500 человек, ещё около 8000 человек
 (физики, инженеры и техники) из более чем 850 институтов и университетов
 Из 85 стран работают периодически, участвуя в совместных экспериментах.
 (Россия – около 800 человек)

         Годовой бюджет ЦЕРНа составляет около 1 млрд.долл. и складывется
         из взносов стран-участниц. (Эксперименты финансируются отдельно)
         (основные вклады – Германия, Англия, Франция, Италия )

         Россия в дек.2012 подала заявку на ассоциированное членство. Она
         Поддержана Советом ЦЕРНа.
         Членство обойдется России в ~8млн долл./год (ср. с 200 млн. Германии)

LHC построен в ЦЕРНе (CERN -Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)
Сейчас -Европейская лаборатория физики частиц,
Создана в 1954г (12 ->20стран. Россия – статус наблюдателя)
Находится в пригороде Женевы, на границе Швейцарии и Франции.

 В ЦЕРНЕ постоянно работает около 2500 человек, ещё около 8000 человек
 (физики, инженеры и техники) из более чем 850 институтов и университетов
 Из 85 стран работают периодически, участвуя в совместных экспериментах.
 (Россия – около 800 человек)

         Годовой бюджет ЦЕРНа составляет около 1 млрд.долл. и складывется
         из взносов стран-участниц. (Эксперименты финансируются отдельно)
         (основные вклады – Германия, Англия, Франция, Италия )

         Россия в дек.2012 подала заявку на ассоциированное членство. Она
         Поддержана Советом ЦЕРНа.
         Членство обойдется России в ~8млн долл./год (ср. с 200 млн. Германии)

Ускоритель – в каждом
        доме!

LHC создавался с 1994г.(официальное утверждение). Построен в готовом тоннеле,
в котором в 1989-2000гг. работал электрон-позитронный коллайдер LEP (209 GeV)
          Запущен в 2008г. Энергия доведена до 4 ТэВ (проект - 7ТэВ)
       1ТэВ = 1000ГэВ = 1 000 000 МэВ (1МэВ = 1 000 000 эВ)
> 9000 магнитов                             150 тонн жидкого гелия, ~90
7568 защитных систем                        тонн при температуре 1.9 K
1088 мониторов пучка                        140 MДж общая энергия пучка
~4000 мониторов потерь                      450 MДж магнитная энергия на
пучка магнитов                              сектор при 4 TeV

Эта штука стоит более 6 млрд. Евро!

LHC создавался с 1994г.(официальное утверждение). Построен в готовом тоннеле,
в котором в 1989-2000гг. работал электрон-позитронный коллайдер LEP (209 GeV)
          Запущен в 2008г. Энергия доведена до 4 ТэВ (проект - 7ТэВ)
       1ТэВ = 1000ГэВ = 1 000 000 МэВ (1МэВ 150    тонн
                                              = 1 000 000жидкого
                                                          эВ)    гелия,
                                              ~90 тонн при температуре
 > 9000 магнитов
                                              1.9 K
 7568 защитных систем
                                              140 MДж общая энергия
 1088 мониторов пучка
                                              пучка
 ~4000 мониторов потерь
                                              450 MДж магнитная
 пучка магнитов

“Внутри” тоннеля LHC
                             Сверхпроводящие магниты

                                      Крио танк (He)

Вакуумные протонные каналы

Некоторые факты:
                                      ●   Ускоренные протоны движутся со
                                          скоростью 0.999999991 от скорости
                                          света, делая 11000 оборотов за
                                          секунду
                                      ●   Давление в протонном канале в 10
                                          раз меньше, чем на Луне
                                      ●    В каждом кольце одновременно
                                          ускоряетя до 1309 (2808) сгустков
                                          протонов, каждый содержит около
                                          1011 протонов
                                      ●   Энергия одного протона в 1ТэВ
                                          примерно соответствует энергии
Тоннель ускорителя находится на           комара, но энергия каждого пучка
глубине от 50 до 175 метров от            примерно равна энергии 400-тонного
поверхности                               поезда, движущегося со скоростью
Подземное расположение было               140 км/час
выбрано, в основном, из               ●   Энергия, потребляемая ускорителем
экономических соображений
                                          во время работы, 120МВт – примерно
(стоимость земли!), хотя геология и
                                          равна домашнему потреблению
радиационная защита также
принимались во внимание                   всего кантона Женева.

Прохождение частиц через детектор
                   ●   При столкновении 2-х протонов в
                       центре установки рождается
                       множество (до неск.сотен) частиц
                       разного типа, разлетающичся во
                       все стороны (“событие”)
                   ●   Задача установки-зафиксировать
                       как можно больше частиц и
                       измерить их характеристики
                       (заряд, энергию, импульс)
                   ●   Все детекторы построены по
                       приципу матрешки: в центре
                       детекторы фиксирующие следы
                       прохождения заряженных частиц
                       (по ионизации), затем т.н.
                       Калориметры, измеряющие
                       энергию частиц и наружный слой
                       – детекторы мю-мезонов, которые
                       слабее всех заряженных частиц
                       взаимодействуют с веществом.
                   ●   Вся установка помещена в
                       мощное магнитное поле для
                       измерения импульсов частиц по
                       кривизне их траектории

Установка АТЛАС
                                                     ➔Длина – 46м
                                                     ➔Высота – 25 м

                                                     ➔Вес – 7000 тонн

                                                     ➔Стоимость 540 MCHF

                                                     ➔ ~100 000 000 каналов

                                                         электроники

КАЛОРИМЕТРЫ              ВНУТРЕННИЙ ДЕТЕКТОР
Жидкоаргоновый (-183°)
110 000 каналов          1.7кв.м.(80 миллионов ка-
                         Налов) пиксельных дет.
                         50х400микрон пиксель
                         60кв.м.стриповых полупр.
                         Детекторов (6млн.каналов)
                         350000 каналов ТРТ дет.

Feb.2007

Исторический момент – установка
вакуумного пучкового канала. 16Июня 2008г.

Collaboration/organization(АТЛ
               АС)
            38 стран
             174 института
   3000 – авторский лист публикаций

“Парламент и
правительство”

August 2008
First injection test

                                                                                           August, 2011
                                       November 29, 2009
                                                                                           2.3e33, 2.6 fb-1
                                       Beam back
                                                                                           1380 bunches

             September 10, 2008
             First beams around                                             June 28 2011                                   4 July, 2012
                                                          October 14        1380 bunches
                                                          2010
                                                          1e32
                                                          248 bunches
                                                                               1380                   6 June, 2012
                                                                                                      6.8e33

 2008                        2009                         2010                     2011                                 2012

                                                                        November 2010
                                                                        Ions
                                    March 30, 2010
                                    First collisions at
                                    3.5 TeV
             September 19,
             2008                                                                                              18 June, 2012
             Disaster                                                                                          6.6 fb-1
             Accidental release                                                                                to ATLAS & CMS
             of 600 MJ stored in
             one sector of LHC
             dipole magnets
                                                                         LHC Timeline                                                     23

“Зачем он нужен?”
для чего созданы эти гигантские
  дорогостоящие установки?

Из чего всё сделано?

                 Достаточно?

Что связывает протоны и нейтроны в ядре?

В экспериментах стали обнаруживать новые частицы....

Их становилось всё больше...

...и больше! ! !

“периодическая” система
                 “элементарных” частиц?
                        Кварки!

Весьма экзотические создания:
  Дробный заряд! (1/3, 2/3е)
  Не существуют в свободном
            виде
“цветные” (цв.заряд = 1,2,3 =
             rgb)
 Взаимодействуют с помощью        барионы
     глюонов (glue - клей)                  мезоны

Что означает “кварк”?

                  James Joyce

Murray
Gell-Mann

4 фундаментальных силы
       (взаимодействия)
   Сильное       Электромагнитное

                                    ●   Электромагнитное +
                                        слабое =
                                        Электрослабое вз.
                                    ●   Электрослабое +
                                        Сильное →
                                        Стандартная
                     Слабое
Гравитационное                          Модель
                                    ●   (+гравитация - ???)

“Стандартная Модель” -
современная рабочая теория
       (микро)мира

Стандартная Модель и Хиггс-бозон
●   Изначально Стандартная Модель сформулирована только
    для безмассовых фундаментальных частиц, т.е. кварков,
    лептонов, W- и Z-бозонов.
●   Для того, чтобы они приобрели массу обычно вводится поле
    Хиггса, названное по имени Шотландского ученого Питера
    Хиггса, одного из предложивших этот механизм в 1964г. В
    этом случае в Стандартной модели должна быть еще одна
    фундаментальная частица – бозон Хиггса.
●   Все прочие частицы приобретают массу из-за взаимодействия
    с этим полем и Хиггс-бозон – это квант этого поля

                               Знаменитый человек, появившийся
                                на вечеринке, создает вокруг себя
                               повышенную концентрацию людей.
                               Это аналогия массы, которую
                               приобретает частица, движущаяся
                               сквозь хиггсовское поле.

Стандартная Модель и Хиггс-бозон
●   Поиски Хиггс-бозона (почему-то названного журналистами
    “частицей Бога”(???) велись десятки лет и, наконец, 4 июля
    2012 г. На семинаре в ЦЕРНе на объединенном семинаре
    коллабораций ATLAS и CMS было объявлено об открытии
    новой частицы, ПОХОЖЕЙ на бозон Хиггса.
●   С увеличением набранного экспериментального материала,
    благодаря безупречной работе ускорителя, практически не
    осталось сомнений, что это Хиггс-бозон.

Результаты первого сеанса
     (Run I, 2009-2012)
           ●    Главный результат –
                открытие Хиггс-бозона
           ●    На очереди –
                детальное изучение
                его свойств
                        –   И получение Нобелевской
                            премии :)

               François Englert (left) and Peter Higgs at CERN

Результаты первого сеанса
     (Run I, 2009-2012)

Результаты первого сеанса
     (Run I, 2009-2012)
                    ●   Установлены
                        жесткие ограничения
                        на параметры теорий
                        за пределами
                        Стандартной Модели
                        – лептокварки,
                        дополнительные
                        пространственные
                        измерения, новые
                        поколения кварков и
                        т.д.

●   ПОКА не обнаружено никаких
    отклонений от СМ :(
●   Несмотря на успехи СМ, у
    неё немало недостатков
●   > 20 свободных
    параметров,определяемых из
    эксперимента
●   Почему 3 поколения кварков
    и лептонов?
●   Иерархия масс
●   Проблема тёмной материи
●   …...
    поиск новых явлений,
    выходящих за рамки СМ,
    становится приоритетной
    задачей экспериментаторов
    на следующем этапе работы
    LHC

Кому он нужен?

Практические применения

Адронотерапия

+30                 +2(2)
(0.5 в России...)

Медицинские применения
             проект ENLIGHT (http://cern.ch/ENLIGHT)
●   ENLIGHT запущен в 2002г. для координации Европейских усилий в области
    адронотерапии и объеденил более 300 участников из традиционно
    разобщенных сообществ – клиницистов, физиков, биологов и инженеров для
    работы в этой области.
        –   Проект продемонстрировал преимущество регулярного и
            организованного обмена данными, информацией и методами практики.
●   Основные задачи:
        –   Понимание биологического механизма ответа опухолей на адроны
        –   Расширить клинические исследования путем увеличения когорты
            пациентов пролеченных по общему протоколу
        –   Раззвивать технику и инструменты для улучшения результатов при
            уменьшении воздействия на здоровые органы и ткани
●   Под эгидой ENLIGHT действуют 4 проекта, финансируемые Еврокомиссией (24
    млн.евро): PARTNER, ULICE, ENVISION и ENTERVISION охватывающих
    различныке аспекты адронотерапии

Медицинские применения
              проект ENVISION (http://cern.ch/ENVISION)
●   4-х летний проект, запущен в Фев.2010 при
    финансировании Еврокомиссией
●   Цель: усовершествование методов контроля качества
    адронотерапии опухолей:
         –   Мониторинг в режиме реального времени
                  ●   ПЭТ, но изотопы образ. в ткани0! TOF
         –   Точное измерение доставленной дозы
         –   Быстрая обратная связь для оптимального
             планирования лечения
         –   on-line реагирование на движение органов
                  ●   4D ПЭТ/КТ
         –   Усовершенствование моделирования
●   Коллаборация 16 ведущих европейских иссл.центров и
    промышленных партнеров при координации ЦЕРНа

Ускоряя науку и инновации
        (социальные выгоды от исследований в области
                       физики частиц)
●   Помимо бесценных познаний о строении, происхождении и развитии нашего
    мира, беспрецедентные по сложности, точности и технологическим новациям
    эксперименты дают немедленный выход в различных областях жизни
●   Медицина: (помимо терапии частицами)
        –   Высокоточные и высокочувствительные детекторы для ультра- низкодозной диагностики,
            сканеры, различающие несколько контрастных агентов одновременно, МРТ разрешение на
            уровне отдельных нервных волокон.
●   Энергетика и охрана среды:
        –   Более эффективные солнечные батареи
        –   Высокотемпературная сверхпроводимость (25К против 1.9К )
        –   Очистка сточных вод с помощью электронного ускорителя
        –   Метеорология (снежный покров и облака с помощью косм.лучей и детекторов,
            “просвечивание” вулканов и земных недр (косм. Лучи и нейтрино), детекторы пожаров.
●   Компьютерные технологии WWW, GRID
                                Первая в мире WEB-страница(1991) !
                                           Http://info.cern.ch/hypertext/WWW/TheProject.html

●   Распространение знаний и технологий (международная кооперация)
●   …. а в будущем – несомненно – ещё больше, о чём мы пока не догадываеся..

Признание обществом

François Englert (left) and Peter Higgs at CERN

Итого:
●   Фундаментальная наука (и её “остриё” - физика частиц)
    нужна нам всем
       –   Наше современное бытие практически полностью
           определено знаниями, полученными ею в прошлом и
           настоящем
●   Практическая выгода от “удовлетворения любопытства
    учёных за счёт государства” многократно превосходит
    затраты на их дурацкие непонятные эксперименты.
       –   Практическая польза от Хиггс-бозона? Никакой! (как и от Рентгеновских лучей 118
           лет назад)

●   Правительства, экономящие на фундаментальных
    исследованиях обрекают свою страну на отсталость (и не
    только в технологической сфере)

Если хотите узнать
          больше:
●   Http://cern.ch
●   Много интересного на русском:
       –   Http://elementy.ru

     СПАСИБО!
     СПАСИБО!