Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — это крупнейший в мире и самый мощный ускоритель элементарных частиц, расположенный на территории Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) недалеко от Женевы, Швейцария. LHC был разработан для столкновения протонов и тяжелых ионов на рекордно высоких энергиях, чтобы исследовать фундаментальные вопросы физики элементарных частиц.
Основные характеристики LHC:
-
Тип ускорителя: LHC — это кольцевой коллайдер, где частицы (протоны или тяжелые ионы) ускоряются и сталкиваются друг с другом. Частицы разгоняются в противоположных направлениях по двум параллельным вакуумным трубам.
-
Размер и расположение: Длина кольца LHC составляет около 27 километров, и оно расположено на глубине до 175 метров под землей, в основном под границей между Францией и Швейцарией.
-
Энергия столкновений: LHC может достигать энергии столкновений до 13 ТэВ (тераэлектронвольт) в центре масс для протонов. Это делает его самым мощным ускорителем частиц в мире.
-
Магнитная система: Для удержания и направления пучков частиц используется система из более чем 1200 сверхпроводящих магнитов. Эти магниты охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, с использованием жидкого гелия.
-
Инжекторы и система ускорения: Частицы сначала ускоряются в меньших ускорителях — линейных и циклических, таких как Протонный синхротрон (PS) и Супер Протонный синхротрон (SPS), — прежде чем поступить в основной кольцевой ускоритель LHC.
Основные эксперименты и детекторы:
LHC включает несколько крупных детекторов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию:
-
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS): Один из крупнейших универсальных детекторов, использующий тороидальную магнитную систему. ATLAS занимается широким спектром исследований, включая поиск новой физики за пределами стандартной модели.
-
CMS (Compact Muon Solenoid): Еще один универсальный детектор с сильным магнитным полем, созданным соленоидом. CMS фокусируется на схожих задачах с ATLAS, включая изучение Higgs-бозона.
-
ALICE (A Large Ion Collider Experiment): Этот детектор специально разработан для изучения столкновений тяжелых ионов, таких как свинец. ALICE исследует свойства кварк-глюонной плазмы, состояния материи, существовавшего вскоре после Большого взрыва.
-
LHCb (Large Hadron Collider beauty): LHCb сосредоточен на изучении асимметрии между материей и антиматерией, анализируя распады частиц, содержащих "прелестные" кварки (b-кварки).
Основные научные цели и достижения:
-
Открытие Higgs-бозона: В 2012 году эксперименты ATLAS и CMS подтвердили существование Higgs-бозона, что стало одним из величайших достижений LHC и подтвердило стандартную модель физики элементарных частиц.
-
Изучение кварк-глюонной плазмы: Эксперимент ALICE предоставил важные данные о состоянии материи, существовавшем сразу после Большого взрыва.
-
Поиск новой физики: LHC продолжает искать признаки новой физики, включая возможные сверхсимметричные частицы, темную материю и другие экзотические формы материи.
-
Изучение CP-нарушения: Эксперимент LHCb предоставляет данные, которые помогают объяснить, почему Вселенная состоит в основном из материи, а не из антиматерии.
Заключение:
Большой адронный коллайдер — это важнейший инструмент для современной физики, позволяющий ученым исследовать фундаментальные свойства материи и вселенной. Он предоставил множество данных, которые уже изменили наше понимание элементарных частиц и продолжает открывать новые горизонты в физике высоких энергий.
