Действующие коллайдеры разных стран. Что такое коллайдер и зачем он нужен? Что такое коллайдер в цифрах

Еще несколько лет назад предрекали, что, как только в действие будет пущен адронный коллайдер, наступит конец света. Этот огромный ускоритель протонов и ионов, построенный в швейцарском ЦЕРНе, по праву признается самым большим экспериментальным сооружением в мире. Он был построен десятками тысяч ученых из многих стран мира. Его поистине можно назвать международным институтом. Однако все начиналось на совершенно ином уровне, первым делом для того, чтобы можно было в ускорителе определить скорость движения протона. Именно об истории создания и этапах развития подобных ускорителей и будет рассказано ниже.

История становления

После того как было обнаружено наличие альфа-частиц и непосредственно начали изучаться атомные ядра, люди начали пытаться проводить над ними эксперименты. Поначалу ни о каких ускорителях протонов здесь речь даже и не шла, поскольку уровень технологий был относительно невысок. Истинная эра создания ускорительной техники началась только в 30-е годы прошлого века, когда ученые начали целенаправленно разрабатывать схемы ускорения частиц. Двое ученых из Великобритании первыми в 1932 году сконструировали особый генератор постоянного напряжения, позволивший остальным начать эпоху ядерной физики, которую стало возможным применять на практике.

Появление циклотрона

Циклотрон, а именно так назывался первый ускоритель протонов, в качестве задумки появился у ученого Эрнеста Лоуренса еще в 1929 году, однако сконструировать его он смог только в 1931 году. Удивительно, но первый образец был достаточно маленьким, всего около десятка сантиметров в диаметре, а потому мог разгонять протоны всего немного. Вся концепция его ускорителя заключалась в использовании не электрического, а магнитного поля. Ускоритель протонов в подобном состоянии был направлен не на непосредственный разгон положительно заряженных частиц, а на искривление их траектории до того состояния, чтобы они летали по окружности в замкнутом состоянии.

Именно это и позволило создать циклотрон, состоящий из двух полых половинчатых дисков, внутри которых и вращались протоны. Все остальные циклотроны строились на данной теории, однако для того, чтобы получить намного большую мощность, они становились все более громоздкими. К 40-м годам стандартный размер такого ускорителя протонов стал равняться зданиям.

Именно за изобретение циклотрона в 1939 году Лоуренсу была присуждена Нобелевская премия по физике.

Синхрофазотроны

Однако по мере того, как ученые пытались сделать ускоритель протонов более мощным, начались проблемы. Часто они были чисто техническими, поскольку требования к образуемой среде были невероятно высоки, однако частично они были и в том, что частицы попросту не ускорялись, как требовалось от них. Новый прорыв в 1944 году сделал Владимир Векслер, который придумал принцип автофазировки. Что удивительно, то же сделал годом позже и американский ученый Эдвин Макмиллан. Они предлагали настроить электрическое поле так, чтобы оно влияло на сами частицы, при необходимости подгоняя их или, наоборот, замедляя. Это позволило сохранить движение частиц в виде одного сгустка, а не расплывчатой массы. Такие ускорители получили название синхрофазотрон.

Коллайдер

Для того чтобы ускоритель разгонял протоны до кинетической энергии, стали требоваться еще более мощные сооружения. Так на свет и появились коллайдеры, которые работали с помощью применения двух пучков частиц, которые раскручивались бы в противоположные стороны. А поскольку располагали их навстречу друг другу, то происходило бы сталкивание частиц. Впервые на свет идея появилась еще в 1943 году у физика Рольфа Видероэ, однако развить ее смогли только в 60-х годах, когда появились новые технологии, которые могли бы осуществить данный процесс. Это позволило увеличить число новых частиц, которые бы появлялись в результате сталкивания.

Все наработки за последующие годы непосредственно привели к постройке огромного сооружения - Большого адронного коллайдера в 2008 году, который по своей структуре представляет кольцо длиной в 27 километров. Считается, что именно проведенные в нем эксперименты помогут понять то, как был образован наш мир, и его глубинное устройство.

Запуск Большого адронного коллайдера

Первая попытка отправить в эксплуатацию этот коллайдер была предпринята в сентябре 2008 года. 10 сентября считается днем его официального запуска. Однако после серии успешных испытаний случилась авария - уже через 9 дней он вышел из строя, а потому его были вынуждены закрыть на ремонт.

Новые испытания начались только в 2009 году, однако вплоть до 2014 года сооружение работало на крайне пониженной энергии, чтобы не допустить новых поломок. Именно в это время и был открыт бозон Хиггса, который вызвал всплеск в научной среде.

На данный момент практически все исследования проводятся в области тяжелых ионов и легких ядер, после чего БАК вновь будет закрыт на модернизацию вплоть до 2021 года. Считается, что работать он сможет приблизительно до 2034 года, после чего для дальнейших исследований потребуется создать новые ускорители.

Сегодняшняя картина

На данный момент конструкционный предел ускорителей достиг своего пика, поэтому единственным вариантом становится создание линейного ускорителя протонов наподобие тех, что сейчас используют в медицине, но гораздо более мощных. ЦЕРН пытался воссоздать миниатюрную версию устройства, однако заметного продвижения в этой области так и не появилось. Данную модель линейного коллайдера планируют непосредственно подключить к БАК, чтобы спровоцировать плотность и интенсивность протонов, которые далее будут направлены непосредственно в сам коллайдер.

Заключение

С появлением ядерной физики началась эпоха развития ускорителей частиц. Они пережили многочисленные этапы, каждый из которых принес многочисленные открытия. Сейчас невозможно найти человека, который никогда бы в жизни не слышал о Большом адронном коллайдере. Его упоминают в книгах, фильмах - предрекая то, что он поможет раскрыть все тайны мира или попросту закончит его. Доподлинно неизвестно, к чему приведут все эксперименты ЦЕРНа, однако с использованием ускорителей ученые смогли ответить на многие вопросы.

Ускоритель - это установка для разгона пучков элементарных частиц; коллайдер - это такой тип ускорителя, в котором разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. В русскоязычной терминологии коллайдер называют также ускорителем на встречных пучках.

С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела - он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц - специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо». На этой страничке рассказывается именно об устройстве ускорительного кольца LHC.

Общий вид

LHC - циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рис. 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.

Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.

Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах - в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора : два крупных - ATLAS и CMS, и два средних - ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора - TOTEM и LHCf.

В точке 4 расположена ускорительная секция . Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка . Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.

Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» - впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.

Магнитная система LHC

Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем.

На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя. Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы. Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты.

Инжекционный комплекс

Протоны поступают в LHC из предварительного ускорителя SPS («Протонного суперсинхротрона»). Имеются две линии передачи пучка, которые отходят от SPS в двух местах и подходят к ускорительному кольцу LHC вблизи точек 2 и 8 (эти линии называются Tl2 и Tl8). Инжекционный комплекс - это сложное инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC.

Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции протонов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам.

Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Полный ускорительный комплекс ЦЕРНа описан на странице CERN accelerator complex (см. также краткую схему на рис. 2). Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов.

Ускорительная секция

Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4.

Резонатор представляет собой полую металлическую камеру сложной формы (см. рис. 3), внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед.

Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает . Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц. Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии. Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой .

Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах - ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса.

Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.

Система сброса пучка

Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя.

Всем этим занимается специальная система сброса пучка, установленная в точке 6. В ней размещены специальные быстрые магниты , которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).

Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности

Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10 –13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.

Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой.

Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле. Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр!

Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.

В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков - «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру. Например, локальное энерговыделение всего в несколько сотых долей джоуля на кубический сантиметр способно вызвать переход поворотного магнита из сверхпроводящего в нормальное состояние, что приведет к срочному сбросу пучка.

Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки - «челюсти» коллиматора. Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны - они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами.

Дополнительная литература:

• Lyndon Evans, Philip Bryant. LHC Machine // Journal of Instrumentation , 3, S08001.

Большой адронный коллайдер (или по английски Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и ионов свинца и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (Conseil Europe"en pour la Recherche Nucle"aire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 K (-271 C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию 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), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Мы здесь не поясняем тонкостей кострукции а лишь пытаемся подчеркнуть все грандиозность установки.

На БАКе запланировано огромное количество различных исследований. Попробуем рассказать о некоторых из них. Энергии пучков на коллайдере будет достаточно для того, чтобы более детально изучить кварковую структуру протона и других частиц состоящих из кварков (их называют адронами). Ранее эта структура уже изучалась на Теватроне.

На этом ускорителе планируется получить состояние вещества которое называется Кварк - Глюонная плазма. Это состояние достигается когда несколько протонов на больших энергиях сталкиваются. При этом в небольшом объеме пространства энергия оказывается столь велика, что весь этот объем заполнен кварками (внутренними составляющими протона) и глюонами (элементарными частицами, переносчиками сильного взаимодействия). Кварки в этом состоянии непрерывно аннигилируют и вновь рождаются из вакуума. Такое состояние для кварков называется ассимтотическая свобода. Говоря о таком состоянии трудно сказать отнести это состояние к веществу или к состоянию самого пространства. Изучение этого особенно интересно так как по современным представлениям пространство всей нашей вселенной в первые мгновения своего образования находилось в таком состоянии. Также изучение кварк-глюонной плазмы позволит лучше понять сильное взаимодействие.

Кроме того, как уже многим известно, планируется обнаружение частицы, которая называется бозон Хиггса. Интересно не само по себе обнаружение частицы а исследования некоторого механизма нарушения симметрии Хиггса вызываемого этой частицей. Это процессы, по ситу, представляю собой теорию слабого взаимодействия, понимание механизмов которой необходимо для того, чтобы понять устройство вселенной.

Большой Адронный коллайдер привлекает к себе внимание еще и потому, что согласно мнению некоторых псевдоученых некоторые процессы в коллайдере способны уничтожить все планету. Действительно, когда плотность энергии в пространстве столь велико то в нем могут рождать совершенно различные объекты, в том числе и микроскопические черные дыры. Однако появление черных дыр, согласно теории, очень маловероятно. Да и потом микроскопические черные дыры не опасны, так как не способны поглощать все вокруг.

Также существует мнение что в коллайдре возможно спровоцировать новый большой взрыв который может разрушить все нашу вселенную. Такое тоже практически невозможно. Дело в том, что в космическом пространстве встречаются частицы с энергиями еще большими чем будут получены в ускорителе. Эти частицы на протяжении всего существования человечества прилетали не землю никогда не провоцируя образование черных дыр.

БАК открывает гигантские перспективы для науки на много лет вперед. остается только ждать, когда его откроют.

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча.

24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.

12 сентября , примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.

19 сентября , в 14:05 по московскому времени, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтверждённым и детализированным позднее, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта — охладить его снова до рабочей температуры.

23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года.

БАК − это крупнейший в мире и самый мощный ускоритель частиц. Ускорители были изобретены в 30-х годах 20 века, для получения частиц высоких энергий, чтобы исследовать структуру атомного ядра. В электрических и магнитных полях ускоренные частицы достигают огромных энергий.
 В круговом ускорителе пучок частиц проходит многократно круговые петли, в линейном ускорителе пучок частиц движется от одного конца до другого.

В БАКе, для достижения более высоких энергий пучков частиц, используется ряд объеденных последовательно ускорителей.
 Первый ускоритель в цепи, ускоряет протоны до энергии 50 МэВ . Для того чтобы атомы водорода потеряли свои электроны и остались только протоны их пропускают через электрическое поле. К тому времени, когда протоны достигают другого конца ускорителя они приобретают энергию 50 МэВ и прибавил 5 % по массе.


 Разогнанные протоны поступают в протонный синхротрон , который состоит из четырех наложенных синхротронных колец. Получив пучки протонов с энергией 50 МэВ , синхротрон ускоряет их до 1,4 ГэВ .


 Ускоренные пучки протонов поступают в следующий протонный синхротрон (PS), который является важнейшим компонентом в ЦЕРНЕ. Окружность ускорителя 628 метров , электромагниты находятся при обычной комнатной температуре. Ускоритель работает на частоте до 25 ГэВ . Кроме протонов, ускоритель ускоряет альфа-частицы (ядра гелия), ядра кислорода и серы, другие ядра, электроны.


 Далее протоны направляются в Super Proton Synchrotron (SPS) - Супер-Протонный Синхротрон , где они ускоряются до 450 ГэВ .


 СПС имеет семикилометровую окружность и разгоняет поставленные пучки до энергий 450 ГэВ . Он имеет 1317 электромагнитов при обычной комнатной температуре. Ускоритель умеет работать с различными видами частиц: ядрами серы и кислорода, электронами, позитронами, протонами и антипротонами.
 Пучки протонов, с энергиями 450 ГэВ поступают в Большой адронный коллайдер. БАК − это крупнейший в мире и самый мощный ускоритель частиц. Он начал свою работу 10 сентября 2008 года, и остается последним дополнением к ускорительному комплексу в ЦЕРН. БАК состоит из 27 -километрового кольца ускоряющих структур − сверхпроводящих магнитов.
 Внутри ускорителя два высокоэнергетических пучка частиц движущихся со скоростями близкими к скорости света. Пучки движутся в противоположных направлениях в отдельных трубах в которых поддерживается состояние сверхвысокого вакуума.
 В ускорителе имеется три отдельных вакуумных системы:

1. Чтобы избежать столкновения с молекулами газа пучков частиц внутри ускорителя находится вакуум как и в межпланетном пространстве.
2. Чтобы уменьшить количество тепла, которое просачивается из окружающей среды комнатной температуры в криогенную зону в которой поддерживается температура в 1,9 K (-271.3°C).
3. Чтобы уменьшать потери тепла криогенно охлаждаемых магнитов.

Электромагниты находятся при температуре -271,3 °С и построены из катушек со специальным электрическим кабелем, который работает в сверхпроводящем состоянии, эффективно проводит электричество без сопротивления или потери энергии. По этой причине, ускоритель подключен к системе жидкого гелия, который охлаждает магниты.
 В БАК находятся тысячи магнитов, разных сортов и размеров. Они включают в себя 1232 дипольных магнита 15 метровой длины, по изгибу балки, и 392 квадрупольных магнита, каждый по 5-7 метров в длину, где фокусируются лучи. Незадолго до столкновения, другой тип магнитов используется, чтобы прижать частички ближе друг к другу, для увеличения вероятности столкновения. В коллайдере решается похожая по сложности задача, как если бы взять две швейные иглы, расположенных на расстоянии 10 км , выстрелить навстречу друг друга с высокой вероятностью попадания. Пучки частиц настолько малы, что столкнуть их точно является сложнейшей задачей.


 Пучки в 1-й трубе циркулируют по часовой стрелке, пока пучки в другой трубе циркулируют против часовой стрелки. Время заполнения каждого кольца 4 минуты и 20 секунд , и 20 минут для того, чтобы достичь максимальной энергии 4 ТэВ . Пучки могут циркулировать в течение многих часов внутри труб при нормальных условиях эксплуатации. Два пучка приводятся в столкновение внутри четырех детекторов − Алиса, Атлас, CMS и LHCb − где полная энергия при столкновении равна 8 ТэВ .
 Алис а представляет собой детектор − 26 м в длину, 16 м в высоту, и шириной 16 м . Применяется для изучения кварк-глюонной плазмы. Детектор находится в огромной пещере 56 м под землей недалеко от поселка сен-Жени-Пуйи, Франция.


 Атлас это один из двух детекторов общего назначения, на Большом Адронном Коллайдере. 46 м в длину, 25 м в высоту и 25 м в ширину, 7000 -тонный детектор ATLAS является наибольшим детектором частиц из когда-либо построенных. Он находится в пещере, в 100 м под землей возле главного центра ЦЕРНА, недалеко от деревни Meyrin в Швейцарии.


 Компактный Мюонный Соленоид (CMS)-это универсальный детектор в БАКе. Он предназначен для решения широкого спектра физических задач, в том числе поиск Бозон Хиггса, поиск частицы, из которых может состоять темная материя. Хотя он решает похожие задачи с ATLAS, но использует другое техническое решение при проектировании детектора, другой магнит. Огромный соленоид магнит имеет форму цилиндрической катушки из сверхпроводящего кабеля, который генерирует поле 4 Тл , что около 100000 раз больше магнитного поля Земли.
 Необычная особенность детектора CMS является то, что он был построен из 15 секций на уровне земли, прежде чем был опущен в подземную пещеру возле Cessy во Франции и разбираются. Полный детектор 21 м в длину, 15 м в ширину и 15 м в высоту.


 В Большом адронном коллайдере проводятся исследование различий между материей и антиматерией, изучаются частицы называемые "beauty quark", или "b-кварк".
 Обилие различных типов кварков создаются в БАК прежде чем они быстро распадаются в другие формы. Чтобы поймать b-кварки, в БАКе разработана сложная подвижная система трековых детекторов возле траекторий пучков.
 5600 -тонный детектор БАК состоит из переднего спектрометра и планарных детекторов. Это 21 м в длину, 10 м в высоту и 13 м в ширину, детектор находится в 100 метрах под землей возле села Ферней-Вольтер, Франция.


 По материалам