بعض الحقائق عن مصادم الهادرونات الكبير وكيف ولماذا تم إنشاؤه وما هو استخدامه وما هي المخاطر المحتملة التي يشكلها على البشرية.

1. تم تصميم مصادم الهادرونات الكبير، أو مصادم الهدرونات الكبير، في عام 1984، ولم يبدأ إلا في عام 2001. وبعد 5 سنوات، في عام 2006، وبفضل جهود أكثر من 10 آلاف مهندس وعالم من مختلف البلدان، تم بناء المصادم. تم الانتهاء من مصادم الهادرونات الكبير.

2. يعد LHC أكبر منشأة تجريبية في العالم.

3. فلماذا مصادم الهادرونات الكبير؟
تم تسميتها كبيرة الحجم نظرًا لحجمها الكبير: يبلغ طول الحلقة الرئيسية التي يتم من خلالها دفع الجسيمات حوالي 27 كم.
الهادرونات - حيث أن التثبيت يسرع الهادرونات (الجسيمات التي تتكون من الكواركات).
المصادم - بسبب تسارع حزم الجسيمات في الاتجاه المعاكس، والتي تصطدم ببعضها البعض في نقاط خاصة.

4. ما هو الغرض من مصادم الهادرونات الكبير؟ يعد LHC مركزًا بحثيًا متطورًا حيث يقوم العلماء بإجراء تجارب على الذرات وتصادم الأيونات والبروتونات مع بعضها البعض بسرعة هائلة. ويأمل العلماء في استخدام الأبحاث لكشف النقاب عن أسرار أصل الكون.

5. كلف المشروع المجتمع العلمي مبلغًا فلكيًا - 6 مليارات دولار. بالمناسبة، أوفدت روسيا 700 متخصص إلى LHC، الذين ما زالوا يعملون حتى اليوم. جلبت طلبيات LHC للشركات الروسية حوالي 120 مليون دولار.

6. لا شك أن الاكتشاف الرئيسي الذي تم في LHC هو اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012، أو كما يطلق عليه أيضًا "جسيمات الله". بوزون هيغز هو الرابط الأخير في النموذج القياسي. حدث مهم آخر في باكيه كان تحقيق طاقة تصادم قياسية تبلغ 2.36 تيرا إلكترون فولت.

7. يعتقد بعض العلماء، بما في ذلك في روسيا، أنه بفضل التجارب واسعة النطاق في CERN (المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، حيث يقع المصادم بالفعل)، سيتمكن العلماء من بناء أول آلة زمنية في العالم. ومع ذلك، فإن معظم العلماء لا يشاركون زملائهم التفاؤل.

8. ترتكز اهتمامات البشرية الرئيسية بشأن أقوى معجل على هذا الكوكب على الخطر الذي يهدد البشرية نتيجة تكوين ثقوب سوداء مجهرية قادرة على التقاط المادة المحيطة بها. هناك تهديد آخر محتمل وخطير للغاية - ظهور أحزمة (مشتقة من قطرات غريبة)، والتي، من الناحية النظرية، قادرة على الاصطدام بنواة الذرة، وتشكيل المزيد والمزيد من الأحزمة، وتحويل مادة الكون بأكمله. ومع ذلك، فإن معظم العلماء الأكثر احتراما يقولون إن مثل هذه النتيجة غير محتملة. لكن ممكن من الناحية النظرية

9. في عام 2008، تم رفع دعوى قضائية ضد CERN من قبل اثنين من سكان ولاية هاواي. واتهموا المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية بمحاولة القضاء على البشرية من خلال الإهمال، مطالبين العلماء بضمانات السلامة.

10. يقع مصادم الهادرونات الكبير في سويسرا بالقرب من جنيف. يوجد متحف في CERN، حيث يتم شرح للزوار بوضوح حول مبادئ تشغيل المصادم ولماذا تم بناؤه.

11 . وأخيرا، حقيقة ممتعة قليلا. إذا حكمنا من خلال الاستعلامات في Yandex، فإن العديد من الأشخاص الذين يبحثون عن معلومات حول مصادم الهادرونات الكبير لا يعرفون كيفية كتابة اسم المسرع بشكل صحيح. على سبيل المثال، يكتبون "andronic" (وهم لا يكتبون فقط ما هي تقارير NTV بقيمة مصادم Andronic الخاصة بهم)، وأحيانًا يكتبون "android" (The Empire Strikes Back). في الإنترنت البرجوازي، هم أيضًا لا يتخلفون عن الركب وبدلاً من "هادرون" يكتبون "hardon" في محرك البحث (باللغة الإنجليزية الأرثوذكسية - متشدد - متشدد). أحد أشكال التهجئة المثيرة للاهتمام باللغة البيلاروسية هو "Vyaliki gadronny paskaralnik"، والذي يُترجم إلى "Large gadronny accelerator".

مصادم هادرون. صورة

LHC المختصر (مصادم الهادرونات الكبير، والمختصر بـ LHC) هو معجل للجسيمات المشحونة باستخدام الحزم المتصادمة، وهو مصمم لتسريع البروتونات والأيونات الثقيلة (أيونات الرصاص) ودراسة منتجات تصادماتها. تم بناء المصادم في CERN (المجلس الأوروبي للأبحاث النووية)، الواقع بالقرب من جنيف، على الحدود بين سويسرا وفرنسا. يعد LHC أكبر منشأة تجريبية في العالم. وشارك في البناء والأبحاث أكثر من 10 آلاف عالم ومهندس من أكثر من 100 دولة.

تم تسميتها كبيرة بسبب حجمها: يبلغ طول حلقة التسريع الرئيسية 26659 م؛ هادرونيك - لأنه يسرع الهادرونات، أي الجزيئات الثقيلة التي تتكون من الكواركات؛ مصادم (مصادم - مصادم) - نظرًا لحقيقة أن حزم الجسيمات تتسارع في اتجاهين متعاكسين وتتصادم في نقاط تصادم خاصة.

مواصفات باك

من المفترض أن يقوم المسرع بتصادم بروتونات ذات طاقة إجمالية قدرها 14 تيرا إلكترون فولت (أي 14 تيرا إلكترون فولت أو 14·1012 إلكترون فولت) في نظام مركز كتلة الجسيمات الساقطة، وكذلك نوى الرصاص ذات طاقة 5 جيجا إلكترون فولت. (5·109 إلكترون فولت) لكل زوج من النيوكليونات المتصادمة. في بداية عام 2010، تجاوز LHC بالفعل حامل الرقم القياسي السابق في طاقة البروتون - مصادم تيفاترون بروتون مضاد البروتون، والذي كان يعمل حتى نهاية عام 2011 في مختبر المسرع الوطني. إنريكو فيرمي (الولايات المتحدة الأمريكية). على الرغم من أن إعداد المعدات مستمر منذ سنوات ولم يكتمل بعد، فقد أصبح LHC بالفعل معجل الجسيمات الأعلى طاقة في العالم، متجاوزًا المصادمات الأخرى بأمر من حيث الحجم من حيث الطاقة، بما في ذلك مصادم الأيونات الثقيلة النسبي RHIC، العامل في مختبر بروكهافن (الولايات المتحدة الأمريكية).

لم يكن لمعان LHC خلال الأسابيع الأولى من تشغيله أكثر من 1029 جسيم/سم 2 ثانية، ومع ذلك، فإنه يستمر في الزيادة باستمرار. الهدف هو تحقيق لمعان اسمي قدره 1.7 × 1034 جسيمًا/سم 2 ثانية، وهو نفس الترتيب من حيث الحجم مثل لمعان BaBar (SLAC، الولايات المتحدة الأمريكية) وBelle (KEK، اليابان).

يقع المسرع في نفس النفق الذي كان يشغله سابقًا مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير. تم إنشاء النفق الذي يبلغ محيطه 26.7 كيلومترًا تحت الأرض في فرنسا وسويسرا. ويتراوح عمق النفق من 50 إلى 175 متراً، وتميل حلقة النفق بنسبة 1.4% تقريباً عن سطح الأرض. لإمساك حزم البروتون وتصحيحها وتركيزها، تم استخدام 1624 مغناطيسًا فائق التوصيل، يتجاوز طولها الإجمالي 22 كم. تعمل المغناطيسات عند درجة حرارة 1.9 كلفن (-271 درجة مئوية)، وهي أقل بقليل من درجة الحرارة التي يصبح عندها الهيليوم سائلًا فائقًا.

كاشفات BAK

يحتوي LHC على 4 أجهزة كشف رئيسية و3 أجهزة كشف مساعدة:

• أليس (تجربة المصادم الأيوني الكبير)
• ATLAS (جهاز حلقي LHC)
• CMS (ملف لولبي موني مدمج)
• LHCb (تجربة الجمال في مصادم الهادرونات الكبير)
• TOTEM (قياس المقطع العرضي المرن والحيادي الإجمالي)
• LHCf (مصادم الهادرونات الكبير للأمام)
• MoEDAL (كاشف احتكار القطب والأشياء الغريبة في LHC).

ATLAS، وCMS، وALICE، وLHCb هي أجهزة كشف كبيرة تقع حول نقاط تصادم الشعاع. تعد كاشفات TOTEM وLHCf أجهزة مساعدة، وتقع على مسافة عدة عشرات من الأمتار من نقاط تقاطع الشعاع التي تشغلها كاشفات CMS وATLAS، على التوالي، وسيتم استخدامها مع الكاشفات الرئيسية.

أجهزة الكشف ATLAS وCMS هي أجهزة كشف للأغراض العامة مصممة للبحث عن بوزون هيغز و"الفيزياء غير القياسية"، وخاصة المادة المظلمة، ALICE - لدراسة بلازما الكوارك-غلوون في تصادمات أيونات الرصاص الثقيلة، LHCb - لدراسة الفيزياء من الكواركات b، والتي ستسمح بفهم أفضل للاختلافات بين المادة والمادة المضادة، تم تصميم TOTEM لدراسة تشتت الجسيمات في زوايا صغيرة، مثل ما يحدث أثناء الرحلات الجوية القريبة دون تصادمات (ما يسمى بالجسيمات غير المتصادمة، للأمام الجسيمات)، مما يجعل من الممكن قياس حجم البروتونات بشكل أكثر دقة، وكذلك التحكم في لمعان المصادم، وأخيرًا LHCf - لدراسة الأشعة الكونية، على غرار نفس الجسيمات غير المتصادمة.

يرتبط أيضًا بعمل LHC هو الكاشف (التجربة) MoEDAL السابع، غير المهم تمامًا من حيث الميزانية والتعقيد، المصمم للبحث عن الجزيئات الثقيلة التي تتحرك ببطء.

أثناء تشغيل المصادم، يتم تنفيذ الاصطدامات في وقت واحد عند جميع نقاط تقاطع الحزم الأربع، بغض النظر عن نوع الجسيمات المتسارعة (البروتونات أو النوى). في هذه الحالة، تقوم جميع أجهزة الكشف بجمع الإحصائيات في وقت واحد.

تسارع الجسيمات في المصادم

سرعة الجسيمات في LHC في الحزم المتصادمة قريبة من سرعة الضوء في الفراغ. يتم تسريع الجسيمات إلى هذه الطاقات العالية على عدة مراحل. في المرحلة الأولى، تقوم المعجلات الخطية منخفضة الطاقة Linac 2 وLinac 3 بحقن البروتونات وأيونات الرصاص لمزيد من التسارع. تدخل الجسيمات بعد ذلك إلى معزز PS ثم إلى PS نفسه (سنكروترون البروتون)، وتكتسب طاقة تبلغ 28 جيجا إلكترون فولت. وبهذه الطاقة يتحركون بالفعل بسرعة قريبة من الضوء. بعد ذلك، يستمر تسارع الجسيمات في SPS (Super Synchrotron Proton Synchrotron)، حيث تصل طاقة الجسيمات إلى 450 GeV. يتم بعد ذلك توجيه حزمة البروتونات إلى الحلقة الرئيسية التي يبلغ طولها 26.7 كيلومترًا، مما يرفع طاقة البروتون إلى حد أقصى قدره 7 تيرا إلكترون فولت، وتسجل أجهزة الكشف الأحداث عند نقاط الاصطدام. يمكن لحزمتي البروتون المتصادمتين، عند امتلائهما بالكامل، أن تحتوي كل منهما على 2808 حزمة. في المراحل الأولية لتصحيح عملية التسريع، يتم تداول مجموعة واحدة فقط في شعاع يبلغ طوله عدة سنتيمترات وحجم عرضي صغير. ثم يبدأون في زيادة عدد الجلطات. توجد العناقيد في مواقع ثابتة بالنسبة لبعضها البعض، والتي تتحرك بشكل متزامن على طول الحلقة. يمكن أن تتصادم الكتل في تسلسل معين عند أربع نقاط من الحلقة، حيث توجد أجهزة كشف الجسيمات.

الطاقة الحركية لجميع مجموعات الهادرونات في LHC، عندما تكون ممتلئة بالكامل، قابلة للمقارنة مع الطاقة الحركية للطائرة النفاثة، على الرغم من أن كتلة جميع الجزيئات لا تتجاوز النانوجرام ولا يمكن رؤيتها حتى بالعين المجردة. يتم الحصول على هذه الطاقة بسبب سرعات الجسيمات القريبة من سرعة الضوء.

تمر الحزم بدائرة كاملة للمسرع في أقل من 0.0001 ثانية، مما يؤدي إلى أكثر من 10 آلاف دورة في الثانية

أهداف وغايات LHC

تتمثل المهمة الرئيسية لمصادم الهادرونات الكبير في اكتشاف بنية عالمنا على مسافات تقل عن 10-19 مترًا، و"فحصها" باستخدام جزيئات ذات طاقة تصل إلى عدة تيرا إلكترون فولت. حتى الآن، تراكمت بالفعل الكثير من الأدلة غير المباشرة على أنه على هذا النطاق، يجب على الفيزيائيين اكتشاف "طبقة جديدة من الواقع"، والتي ستقدم دراستها إجابات للعديد من أسئلة الفيزياء الأساسية. إن ما ستكون عليه هذه الطبقة من الواقع بالضبط غير معروف مسبقًا. لقد اقترح المنظرون، بالطبع، مئات من الظواهر المختلفة التي يمكن ملاحظتها عند طاقات تصادم تصل إلى عدة تيرا إلكترون فولت، لكن التجربة هي التي ستظهر ما يتم تحقيقه بالفعل في الطبيعة.

البحث عن فيزياء جديدة النموذج القياسي لا يمكن النظر فيه النظرية النهائيةالجسيمات الأولية. يجب أن يكون جزءًا من نظرية أعمق حول بنية العالم الصغير، وهو الجزء الذي يمكن رؤيته في تجارب المصادمات عند طاقات أقل من حوالي 1 تيرا إلكترون فولت. وتسمى هذه النظريات مجتمعة " فيزياء جديدة" أو "ما وراء النموذج القياسي." الهدف الرئيسي لمصادم الهادرونات الكبير هو الحصول على الأقل على التلميحات الأولى حول ماهية هذه النظرية الأعمق. لمزيد من التوحيد التفاعلات الأساسيةتستخدم إحدى النظريات مناهج مختلفة: نظرية الأوتار، التي تم تطويرها في نظرية M (نظرية البرين)، ونظرية الجاذبية الفائقة، والجاذبية الكمومية الحلقية، وما إلى ذلك. يعاني بعضها من مشاكل داخلية، ولا يوجد لدى أي منها تأكيد تجريبي. المشكلة هي أنه لتنفيذ التجارب المقابلة، هناك حاجة إلى طاقات لا يمكن الوصول إليها باستخدام مسرعات الجسيمات المشحونة الحديثة. سيسمح المصادم LHC بإجراء تجارب كانت مستحيلة في السابق ومن المرجح أن تؤكد أو تدحض بعض هذه النظريات. وبالتالي، هناك مجموعة كاملة من النظريات الفيزيائية ذات الأبعاد الأكبر من أربعة والتي تفترض وجود "التناظر الفائق" - على سبيل المثال، نظرية الأوتار، والتي تسمى أحيانًا نظرية الأوتار الفائقة على وجه التحديد لأنها بدون التناظر الفائق تفقد المعنى الجسدي. وبالتالي فإن تأكيد وجود التناظر الفائق سيكون بمثابة تأكيد غير مباشر لحقيقة هذه النظريات. دراسة الكواركات القمية الكوارك القمي هو أثقل كوارك، علاوة على أنه أثقل جسيم أولي تم اكتشافه حتى الآن. وفقًا لأحدث النتائج من تيفاترون، تبلغ كتلته 173.1 ± 1.3 GeV/c 2. نظرًا لكتلته الكبيرة، لم تتم ملاحظة الكوارك العلوي حتى الآن إلا في معجل واحد فقط - وهو تيفاترون، ولم يكن لدى المسرعات الأخرى ببساطة ما يكفي من الطاقة لولادته. بالإضافة إلى ذلك، فإن الكواركات العليا تهم الفيزيائيين ليس فقط في حد ذاتها، ولكن أيضًا باعتبارها "أداة عمل" لدراسة بوزون هيغز. واحدة من أهم القنوات لإنتاج بوزون هيغز في LHC هي الإنتاج الترابطي مع زوج من الكواركات والكواركات المضادة. ومن أجل فصل مثل هذه الأحداث عن الخلفية بشكل موثوق، من الضروري أولاً دراسة خصائص الكواركات القمية نفسها. دراسة آلية التناظر الكهروضعيف أحد الأهداف الرئيسية للمشروع هو إثبات وجود بوزون هيغز تجريبيًا، وهو جسيم تنبأ به الفيزيائي الاسكتلندي بيتر هيغز عام 1964 في إطار النموذج القياسي. بوزون هيغز هو كم لما يسمى بمجال هيغز، عند المرور من خلاله تواجه الجسيمات مقاومة، والتي نمثلها كتصحيحات للكتلة. البوزون نفسه غير مستقر وله كتلة كبيرة (أكثر من 120 GeV/c2). في الواقع، لا يهتم الفيزيائيون كثيرًا ببوزون هيغز نفسه بقدر ما يهتمون بآلية هيغز لكسر تماثل التفاعل الكهروضعيف. دراسة بلازما كوارك غلوون من المتوقع أن يتم إجراء ما يقرب من شهر واحد في السنة في المسرع في الاشتباكات النووية. خلال هذا الشهر، سوف يتسارع المصادم ولن يصطدم بالبروتونات، بل بنوى الرصاص في الكاشفات. في تصادم غير مرن بين نواتين بسرعات نسبية فائقة وقت قصيرتتشكل كتلة كثيفة وساخنة جدًا من المادة النووية ثم تتفكك. إن فهم الظواهر التي تحدث في هذه الحالة (انتقال المادة إلى حالة بلازما كوارك-غلوون وتبريدها) ضروري لبناء نظرية أكثر تقدمًا للتفاعلات القوية، والتي ستكون مفيدة لكل من الفيزياء النووية والفيزياء الفلكية. البحث عن التناظر الفائق الأول المهم الإنجاز العلميقد تثبت التجارب في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) أو تدحض "التناظر الفائق" - وهي النظرية القائلة بأن أي جسيم أولي لديه شريك أثقل بكثير، أو "جسيم فائق". دراسة تصادمات الفوتون والهادرون والفوتون بالفوتون يوصف التفاعل الكهرومغناطيسي للجسيمات بأنه تبادل الفوتونات (في بعض الحالات الافتراضية). وبعبارة أخرى، الفوتونات هي ناقلات حقل كهرومغناطيسي. البروتونات مشحونة كهربائيًا ومحاطة المجال الكهروستاتيكيوعليه يمكن اعتبار هذا المجال بمثابة سحابة من الفوتونات الافتراضية. كل بروتون، وخاصة البروتون النسبي، يتضمن سحابة من الجسيمات الافتراضية مثل عنصر. عندما تتصادم البروتونات، تتفاعل أيضًا الجسيمات الافتراضية المحيطة بكل بروتون. رياضيًا، يتم وصف عملية تفاعل الجسيمات بسلسلة طويلة من التصحيحات، يصف كل منها التفاعل من خلال جسيمات افتراضية من نوع معين (انظر: مخططات فاينمان). وهكذا عند دراسة تصادم البروتونات فإن تفاعل المادة مع الفوتونات ذات الطاقة العالية هو ما يمثل الفائدة الكبيرةللفيزياء النظرية . يتم أيضًا أخذ فئة خاصة من التفاعلات في الاعتبار - التفاعل المباشر بين فوتونين، والتي يمكن أن تصطدم إما ببروتون قادم، مما يؤدي إلى توليد تصادمات نموذجية بين الفوتون والهادرونات، أو مع بعضها البعض. في وضع الاصطدام النووي، بسبب الشحنة الكهربائية الكبيرة للنواة، يكون التأثير العمليات الكهرومغناطيسيةله أهمية أكبر. اختبار النظريات الغريبة طرح المنظرون في نهاية القرن العشرين عددًا كبيرًا أفكار غير عاديةفيما يتعلق ببنية العالم، والتي تسمى مجتمعة "النماذج الغريبة". وتشمل هذه النظريات ذات الجاذبية القوية على مقياس طاقة يصل إلى 1 تيرا إلكترون فولت، ونماذج ذات عدد كبير من الأبعاد المكانية، ونماذج البريون التي تتكون فيها الكواركات واللبتونات نفسها من جسيمات، ونماذج ذات أنواع جديدة من التفاعل. والحقيقة هي أن البيانات التجريبية المتراكمة لا تزال غير كافية لإنشاء نظرية واحدة. وجميع هذه النظريات نفسها متوافقة مع البيانات التجريبية المتاحة. ولأن هذه النظريات يمكن أن تقدم تنبؤات محددة لمصادم الهادرون الكبير، يخطط المجربون لاختبار التنبؤات والبحث عن آثار لنظريات معينة في بياناتهم. ومن المتوقع أن تكون النتائج التي تم الحصول عليها في المسرع قادرة على الحد من خيال المنظرين، وإغلاق بعض الإنشاءات المقترحة. أخرى أيضا في انتظار الكشف الظواهر الفيزيائيةخارج النموذج القياسي. ومن المخطط دراسة خصائص بوزونات W وZ، والتفاعلات النووية عند الطاقات العالية للغاية، وعمليات إنتاج واضمحلال الكواركات الثقيلة (b وt).

بعد سلسلة من التجارب في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، أعلن متخصصون من المركز الأوروبي للأبحاث النووية (CERN) عن اكتشاف جسيم جديد يسمى الخماسي كوارك، وهو ما تنبأ به العلماء الروس سابقًا.

مصادم الهادرونات الكبير (LHC) هو معجل مصمم لتسريع الجسيمات الأولية (على وجه الخصوص، البروتونات).

تقع في فرنسا وسويسرا وتنتمي إلى المجلس الأوروبي للأبحاث النووية (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN).

في ذلك الوقت، لم يكن العلماء واضحين تمامًا حول كيفية توافق الجسيم الذي اكتشفوه مع تنبؤات النموذج القياسي. بحلول مارس 2013، كان لدى الفيزيائيين بيانات كافية عن الجسيم ليعلنوا رسميًا أنه بوزون هيغز.

في 8 أكتوبر 2013، مُنح الفيزيائي البريطاني بيتر هيغز والبلجيكي فرانسوا إنجلر، اللذين اكتشفا آلية كسر التناظر الكهروضعيف (بفضل هذا الانتهاك، يمكن أن يكون للجسيمات الأولية كتلة)، جائزة جائزة نوبلحصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من أجل "الاكتشاف النظري للآلية التي قدمت نظرة ثاقبة لأصل كتل الجسيمات الأولية."

في ديسمبر 2013، وبفضل تحليل البيانات باستخدام الشبكات العصبية، قام فيزيائيو CERN لأول مرة بتتبع اضمحلال بوزون هيغز إلى فرميونات - لبتونات تاو وأزواج b-quark وb-antiquark.

وفي يونيو 2014، قام العلماء العاملون في كاشف أطلس، بعد معالجة كافة الإحصائيات المتراكمة، بتوضيح نتائج قياس كتلة بوزون هيغز. وفقًا لبياناتهم، تبلغ كتلة بوزون هيغز 125.36 ± 0.41 جيجا إلكترون فولت. وهذا مطابق تقريبًا - من حيث القيمة والدقة - لنتيجة العلماء الذين يعملون على كاشف CMS.

في منشور فبراير 2015 في مجلة Physical Review Letters، ذكر الفيزيائيون ذلك سبب محتمليمكن أن يكون سبب الغياب شبه الكامل للمادة المضادة في الكون وهيمنة المادة المرئية العادية هو حركات مجال هيغز - وهو هيكل خاص "تعيش فيه بوزونات هيغز". يعتقد الفيزيائي الروسي الأمريكي ألكسندر كوسينكو من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (الولايات المتحدة الأمريكية) وزملاؤه أنهم تمكنوا من العثور على إجابة لهذا اللغز العالمي في البيانات التي جمعها مصادم الهادرونات الكبير خلال المرحلة الأولى من تشغيله عندما تم اكتشاف البوزون هيجز، "جسيم الرب" الشهير.

في 14 يوليو 2015، أصبح معروفًا أن متخصصين من المركز الأوروبي للأبحاث النووية (CERN)، وبعد سلسلة من التجارب في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، أعلنوا عن اكتشاف جسيم جديد يسمى الخماسي كوارك، والذي تنبأ به سابقًا العلماء الروس. ستسمح لنا دراسة خصائص الخماسي كواركات بفهم كيفية عمل المادة العادية بشكل أفضل. إمكانية وجود pentaquarks، موظفو معهد سانت بطرسبرغ للفيزياء النووية الذي سمي على اسم كونستانتينوف ديمتري دياكونوف، مكسيم بولياكوف وفيكتور بيتروف.

سمحت البيانات التي جمعها LHC في المرحلة الأولى من العمل للفيزيائيين من تعاون LHCb، الذي يبحث عن جسيمات غريبة على الكاشف الذي يحمل نفس الاسم، بـ "التقاط" عدة جسيمات من خمسة كواركات، والتي تلقت أسماء مؤقتة Pc(4450) + وجهاز الكمبيوتر (4380)+. لديهم كتلة كبيرة جدًا - حوالي 4.4-4.5 ألف ميجا إلكترون فولت، وهو ما يعادل حوالي أربعة إلى خمسة أضعاف نفس الرقم بالنسبة للبروتونات والنيوترونات، بالإضافة إلى دوران غير عادي إلى حد ما. وهي بطبيعتها عبارة عن أربعة كواركات "طبيعية" ملتصقة بكوارك مضاد واحد.

الثقة الإحصائية للاكتشاف هي تسعة سيجما، وهو ما يعادل خطأ عشوائي واحد أو عطل في الكاشف في حالة واحدة من بين أربعة ملايين مليار (10 أس 18) محاولة.

سيكون أحد أهداف الإطلاق الثاني للمصادم LHC هو البحث عن المادة المظلمة. ومن المفترض أن اكتشاف مثل هذه المادة سيساعد في حل مشكلة الكتلة الخفية، والتي تتكون بشكل غير طبيعي من السرعه العاليهدوران المناطق الخارجيةالمجرات.

تم إعداد المادة بناءً على معلومات من وكالة ريا نوفوستي والمصادر المفتوحة

خريطة مع تحديد موقع المصادم عليها

لمزيد من توحيد التفاعلات الأساسية في نظرية واحدة، يتم استخدام مناهج مختلفة: نظرية الأوتار، التي تم تطويرها في نظرية M (نظرية البرين)، ونظرية الجاذبية الفائقة، والجاذبية الكمومية الحلقية، وما إلى ذلك. يعاني بعضها من مشاكل داخلية، ولم يعاني أي منها من مشاكل التأكيد التجريبي. المشكلة هي أنه لتنفيذ التجارب المقابلة، هناك حاجة إلى طاقات لا يمكن الوصول إليها باستخدام مسرعات الجسيمات المشحونة الحديثة.

سيسمح المصادم LHC بإجراء تجارب كان من المستحيل إجراؤها في السابق، ومن المرجح أن تؤكد أو تدحض بعض هذه النظريات. وبالتالي، هناك مجموعة كاملة من النظريات الفيزيائية ذات أبعاد أكبر من أربعة، والتي تفترض وجود "التناظر الفائق" - على سبيل المثال، نظرية الأوتار، والتي تسمى أحيانًا نظرية الأوتار الفائقة على وجه التحديد لأنها بدون التناظر الفائق تفقد معناها الفيزيائي. وبالتالي فإن تأكيد وجود التناظر الفائق سيكون بمثابة تأكيد غير مباشر لحقيقة هذه النظريات.

دراسة الكواركات القمة

تاريخ البناء

نفق تحت الأرض بطول 27 كيلومترًا مصمم لإيواء مسرع LHC

ولدت فكرة مشروع مصادم الهادرونات الكبير في عام 1984 وتمت الموافقة عليها رسميًا بعد عشر سنوات. بدأ بنائه في عام 2001، بعد الانتهاء من المسرع السابق، مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير.

من المفترض أن يقوم المسرع بتصادم بروتونات ذات طاقة إجمالية قدرها 14 تيرا إلكترون فولت (أي 14 تيرا إلكترون فولت أو 14 10 12 إلكترون فولت) في نظام مركز كتلة الجسيمات الساقطة، وكذلك نوى الرصاص ذات طاقة 5.5 جيجا إلكترون فولت. (5.5 10 9 إلكترون فولت) لكل زوج من النيوكليونات المتصادمة. وبالتالي، سيكون مصادم الهادرونات الكبير (LHC) هو مسرع الجسيمات الأعلى طاقة في العالم، وهو متفوق من حيث الطاقة على أقرب منافسيه - مصادم البروتون المضاد للبروتون تيفاترون، والذي يعمل حاليًا في مختبر المسرع الوطني. إنريكو فيرمي (الولايات المتحدة الأمريكية)، ومصادم الأيونات الثقيلة النسبي RHIC، العامل في مختبر بروكهافن (الولايات المتحدة الأمريكية).

يقع المسرع في نفس النفق الذي كان يشغله سابقًا مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير. تم وضع النفق الذي يبلغ محيطه 26.7 كيلومترًا على عمق حوالي مائة متر تحت الأرض في فرنسا وسويسرا. لاحتواء وتصحيح حزم البروتونات، تم استخدام 1624 مغناطيسًا فائق التوصيل، يتجاوز طولها الإجمالي 22 كيلومترًا. وتم تركيب آخرها في النفق في 27 نوفمبر 2006. سوف يعمل المغناطيس عند درجة حرارة 1.9 كلفن (−271 درجة مئوية). تم الانتهاء من بناء خط تبريد خاص لمغناطيس التبريد في 19 نوفمبر 2006.

الاختبارات

تحديد

عملية تسريع الجسيمات في المصادم

سرعة الجسيمات في LHC عند تصادم الحزم قريبة من سرعة الضوء في الفراغ. يتم تحقيق تسارع الجزيئات إلى هذه السرعات العالية على عدة مراحل. في المرحلة الأولى، تقوم المعجلات الخطية منخفضة الطاقة Linac 2 وLinac 3 بحقن البروتونات وأيونات الرصاص لمزيد من التسارع. تدخل الجسيمات بعد ذلك إلى معزز PS ثم إلى PS نفسه (سنكروترون البروتون)، وتكتسب طاقة تبلغ 28 جيجا إلكترون فولت. بعد ذلك، يستمر تسارع الجسيمات في SPS (Super Synchrotron Proton Synchrotron)، حيث تصل طاقة الجسيمات إلى 450 GeV. يتم بعد ذلك توجيه الشعاع إلى الحلقة الرئيسية التي يبلغ طولها 26.7 كيلومترًا، وتقوم أجهزة الكشف بتسجيل الأحداث التي تحدث عند نقاط الاصطدام.

استهلاك الطاقة

خلال تشغيل المصادم، سيكون استهلاك الطاقة المقدر 180 ميغاواط. استهلاك الطاقة المقدر لكانتون جنيف بأكمله. CERN نفسها لا تنتج الطاقة، ولديها فقط مولدات ديزل احتياطية.

الحوسبة الموزعة

لإدارة وتخزين ومعالجة البيانات التي ستأتي من مسرع وكاشفات LHC، يتم إنشاء شبكة حوسبة موزعة LCG. ل HCج الحوسبةز يتخلص )، باستخدام تكنولوجيا الشبكة. بالنسبة لبعض مهام الحوسبة، سيتم استخدام مشروع الحوسبة الموزعة LHC@home.

العمليات الفيزيائية غير المنضبطة

أعرب بعض الخبراء وأفراد الجمهور عن مخاوفهم من أن هناك احتمالًا غير صفري لخروج التجارب التي يتم إجراؤها في المصادم عن نطاق السيطرة وتطوير تفاعل متسلسل يمكن نظريًا، في ظل ظروف معينة، تدمير الكوكب بأكمله. يتم عرض وجهة نظر مؤيدي السيناريوهات الكارثية المرتبطة بتشغيل LHC على موقع ويب منفصل. وبسبب مشاعر مماثلة، يتم أحيانًا فك رموز LHC على أنه آخرمصادم هادرون ( آخرمصادم هادرون).

في هذا الصدد، غالبًا ما يتم ذكر الاحتمال النظري لظهور ثقوب سوداء مجهرية في المصادم، وكذلك الاحتمال النظري لتشكيل كتل من المادة المضادة وأحاديات القطب المغناطيسي مع تفاعل متسلسل لاحق لالتقاط المادة المحيطة.

تم النظر في هذه الاحتمالات النظرية من قبل مجموعة خاصة من CERN، والتي أعدت تقريرًا مناسبًا تم فيه الاعتراف بأن كل هذه المخاوف لا أساس لها من الصحة. نشر عالم الفيزياء النظرية الإنجليزي أدريان كينت مقالا علميا انتقد فيه معايير السلامة التي تعتمدها المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، حيث أن الضرر المتوقع، أي حاصل ضرب احتمال وقوع الحدث بعدد الضحايا، غير مقبول في رأيه. ومع ذلك، فإن الحد الأقصى لاحتمال حدوث سيناريو كارثي في ​​LHC هو 10 -31.

تشمل الحجج الرئيسية المؤيدة لعدم أساس السيناريوهات الكارثية إشارات إلى حقيقة أن الأرض والقمر والكواكب الأخرى تتعرض باستمرار لقصف تيارات من الجسيمات الكونية ذات طاقات أعلى بكثير. المذكورة أيضا عمل ناجحالمسرعات التي تم تشغيلها سابقًا، بما في ذلك مصادم الأيونات الثقيلة النسبي RHIC في بروكهافن. لم ينكر متخصصو CERN إمكانية تكوين ثقوب سوداء مجهرية، ومع ذلك، فقد ذكر ذلك في موقعنا مساحة ثلاثية الأبعادلا يمكن لمثل هذه الأجسام أن تنشأ إلا عند طاقات أكبر بمقدار 16 مرة من طاقة الحزم الموجودة في LHC. من الناحية النظرية، يمكن أن تظهر الثقوب السوداء المجهرية في تجارب مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في توقعات النظريات ذات الأبعاد المكانية الإضافية. مثل هذه النظريات ليس لديها حتى الآن أي تأكيد تجريبي. ومع ذلك، حتى لو تم إنشاء الثقوب السوداء عن طريق تصادم الجسيمات في LHC، فمن المتوقع أن تكون غير مستقرة للغاية بسبب إشعاع هوكينج وسوف تتبخر على الفور تقريبًا كجسيمات عادية.

في 21 مارس 2008، تم رفع دعوى قضائية من قبل والتر فاغنر في محكمة مقاطعة هاواي الفيدرالية (الولايات المتحدة الأمريكية). والتر إل فاغنر) ولويس سانشو (م. لويس سانشو)، حيث يتهمون CERN بمحاولة تحقيق نهاية العالم، ويطالبون بحظر إطلاق المصادم حتى يتم ضمان سلامته.

المقارنة مع السرعات والطاقات الطبيعية

تم تصميم المسرع لتصادم الجسيمات مثل الهادرونات والنواة الذرية. ومع ذلك، هناك الينابيع الطبيعيةجسيمات تكون سرعتها وطاقتها أعلى بكثير من تلك الموجودة في المصادم (انظر: زيفاترون). ويتم اكتشاف مثل هذه الجسيمات الطبيعية في الأشعة الكونية. ويكون سطح كوكب الأرض محميًا جزئيًا من هذه الأشعة، ولكن أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي، تصطدم جزيئات الأشعة الكونية بالذرات وجزيئات الهواء. ونتيجة لهذه الاصطدامات الطبيعية، يتم إنشاء العديد من الجزيئات المستقرة وغير المستقرة في الغلاف الجوي للأرض. ونتيجة لذلك، فإن الموارد الطبيعية موجودة على هذا الكوكب منذ ملايين السنين. إشعاع الخلفية. سيحدث نفس الشيء (تصادم الجسيمات الأولية والذرات) في LHC، ولكن بسرعات وطاقات أقل، وبكميات أقل بكثير.

الثقوب السوداء المجهرية

إذا أمكن إنشاء ثقوب سوداء أثناء تصادم الجسيمات الأولية، فإنها ستضمحل أيضًا إلى جسيمات أولية، وفقًا لمبدأ ثبات CPT، وهو أحد المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم.

علاوة على ذلك، إذا صحت فرضية وجود ثقوب صغيرة سوداء مستقرة، فإنها ستتشكل بكميات كبيرة نتيجة قصف الأرض بالجسيمات الأولية الكونية. لكن معظم الجسيمات الأولية عالية الطاقة القادمة من الفضاء قد وصلت إليها الشحنة الكهربائيةلذا فإن بعض الثقوب السوداء ستكون مشحونة كهربائيًا. سيتم التقاط هذه الثقوب السوداء المشحونة حقل مغناطيسيالأرض، ولو كانوا خطيرين حقًا، لكانوا قد دمروا الأرض منذ فترة طويلة. آلية شويمر التي تجعل الثقوب السوداء محايدة كهربائيًا تشبه إلى حد كبير تأثير هوكينج ولا يمكنها العمل إذا لم يعمل تأثير هوكينج.

بالإضافة إلى ذلك، فإن أي ثقوب سوداء، مشحونة أو متعادلة كهربائيًا، سيتم التقاطها بواسطة الأقزام البيضاء النجوم النيوترونية(التي تتعرض للإشعاع الكوني مثل الأرض) ودمرتها. ونتيجة لذلك، فإن عمر الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية سيكون أقصر بكثير مما هو ملاحظ بالفعل. بالإضافة إلى ذلك، فإن انهيار الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية سيصدر إشعاعات إضافية لم يتم ملاحظتها فعليًا.

وأخيرًا، فإن النظريات ذات الأبعاد المكانية الإضافية التي تتنبأ بظهور الثقوب السوداء المجهرية، لا تتعارض مع البيانات التجريبية إلا إذا كان عدد الأبعاد الإضافية ثلاثة على الأقل. ولكن مع وجود العديد من الأبعاد الإضافية، يجب أن تمر مليارات السنين قبل ذلك الثقب الأسودسوف يسبب أي ضرر كبير على الأرض.

سترابلكي

أما الآراء المعاكسة فترى إدوارد بوس، دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية من معهد أبحاث الفيزياء النووية بجامعة موسكو الحكومية، الذي ينفي ظهور ثقوب سوداء عيانية في LHC، وبالتالي، “ الثقوب الدودية"والسفر عبر الزمن.

ملحوظات

1. الدليل النهائي لمصادم الهادرونات الكبير (بالإنجليزية) ص 30.
2. LHC: حقائق أساسية. "عناصر علم كبير" تم الاسترجاع في 15 سبتمبر 2008.
3. مجموعة عمل تيفاترون الكهربائية الضعيفة، المجموعة الفرعية العليا
4. نجح اختبار تزامن LHC
5. الاختبار الثاني لنظام الحقن مر بشكل متقطع لكنه حقق هدفه. "عناصر العلوم الكبيرة" (24 أغسطس 2008). تم الاسترجاع 6 سبتمبر، 2008.
6. يبدأ يوم LHC المهم ليبدأ سريعًا
7. الشعاع الأول في LHC – تسريع العلم.
8. اكتملت المهمة لفريق LHC. Physicsworld.com. تم الاسترجاع في 12 سبتمبر 2008.
9. يتم إطلاق شعاع متداول بثبات في LHC. "عناصر العلوم الكبيرة" (12 سبتمبر 2008). تم الاسترجاع في 12 سبتمبر 2008.
10. حادث في مصادم الهادرونات الكبير يؤخر التجارب إلى أجل غير مسمى. "عناصر العلوم الكبيرة" (19 سبتمبر 2008). تم الاسترجاع في 21 سبتمبر 2008.
11. لن يستأنف مصادم الهادرونات الكبير عمله حتى الربيع - CERN. ريا نوفوستي (23 سبتمبر 2008). تم الاسترجاع 25 سبتمبر، 2008.
12. http://press.web.cern.ch/Press/PressReleases/Releases2008/PR14.08E.html
13. https://edms.cern.ch/file/973073/1/Report_on_080919_incident_at_LHC__2_.pdf
14. https://lhc2008.web.cern.ch/LHC2008/inauguration/index.html
15. سيكون إصلاح المغناطيس التالف أكثر شمولاً مما كان يُعتقد سابقًا. "عناصر العلم الكبير" (09 نوفمبر 2008). تم الاسترجاع 12 نوفمبر، 2008.
16. الجدول الزمني لعام 2009. "عناصر العلوم الكبيرة" (18 يناير 2009). تم الاسترجاع 18 يناير، 2009.
17. بيان صحفي لـ CERN
18. تمت الموافقة على خطة تشغيل مصادم الهادرونات الكبير للأعوام 2009-2010. "عناصر العلوم الكبيرة" (6 فبراير 2009). تم الاسترجاع في 5 أبريل 2009.
19. تجارب LHC
20. يفتح "صندوق باندورا". Vesti.ru (9 سبتمبر 2008). تم الاسترجاع في 12 سبتمبر 2008.
21. احتمالية الخطر في تجارب مصادم الجسيمات
22. ديموبولوس إس، لاندسبيرج جي. الثقوب السوداء في مصادم الهادرونات الكبير (الإنجليزية) فيز. القس. بادئة رسالة. 87 (2001)
23. بلايزوت ج.-ب. وآخرون. دراسة الأحداث الخطيرة المحتملة أثناء تصادمات الأيونات الثقيلة في LHC.
24. مراجعة سلامة الاصطدامات LHC مجموعة تقييم السلامة LHC
25. مراجعة نقدية لمخاطر المسرعات. Proza.ru (23 مايو 2008). تم الاسترجاع في 17 سبتمبر 2008.
26. ما هو احتمال وقوع كارثة في LHC؟
27. يوم القيامة
28. مطالبة القاضي بإنقاذ العالم، وربما أكثر من ذلك بكثير
29. شرح لماذا سيكون LHC آمنًا
30. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (الإسبانية)
31. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (الألمانية)
32. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (الفرنسية)
33. ح. هايزلبرغ.الفحص في قطرات الكوارك // المراجعة البدنية د.- 1993. - ت48. - رقم 3. - ص1418-1423. دوى:10.1103/PhysRevD.48.1418
34. إم ألفورد، ك. راجاجوبال، إس. ريدي، أ. ستاينر.استقرار القشور النجمية الغريبة والغريبة // الأمريكيالمجتمع الفيزيائي.المراجعة البدنية د. - 2006. - ت 73، 114016.