Geum.ru

«Ускорители элементарных частиц. Lhc.»

Вид материалаДокументы
9.5.Испытания и эксплуатация
10.ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований 10.1.Учрежден: 29 сентября 1954 года. 10.2.Финансирование
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

9.5.Испытания и эксплуатация

9.5.1.2008 год




11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний[17]. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера[18][19] Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки[20].

12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы[21].

19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя[22]. 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 деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Ремонт коллайдера занял остаток 2008-го и большую часть 2009-го годов.

21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК[23].

9.5.2.2009 год


16 октября завершено охлаждение всех восьми секторов коллайдера[24].

20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу Большого адронного коллайдера[25].

29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире[26].

9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 * 1180 ГэВ)[27].

[править]

9.5.3.2010 год


18 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.[28]

30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ.[29] Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.

На 22 апреля 2010 года собрана статистика, позволяющая уточнить для случая недоступной ранее энергии протон-протонных столкновений ряд параметров, плохо вычислимых из первых принципов. В частности, оценено количество заряженных частиц, рождающихся в столкновении, а также их распределение по псевдобыстроте.[30] Эти данные позволят более эффективно наладить анализ данных, поступающих с детекторов.

24 июня показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов.[31]

19 августа получено ограничение на энергию возбуждённых состояний кварков для моделей, где такие состояния существуют.[32]

19 сентября эксперимент LHCb представил первые данные по рождению прелестных мезонов.[33]

22 сентября обнаружен новый физический эффект, не предсказанный существующей теорией. Среди сотен частиц, которые рождаются при столкновении протонов, обнаружились пары, движения которых связаны друг с другом.[34] Тем не менее данный эффект не стал для экспериментаторов полной неожиданностью, поскольку очень похожий эффект был обнаружен в 2007 году в столкновении ядер на коллайдере RHIC.[35] В случае столкновений ядер предлагается следующее объяснение. Летящие с околосветовой скоростью ядра сильно сплющиваются в продольном направлении и выглядят скорее «блинами», чем «шариками». В первый момент после столкновения два ядра-«блина» пролетают друг сквозь друга, но столкновение не проходит для них незаметным, и в пространстве между ними возникает совершенно особое состояние материи, которое получило название «глазма», glasma (англ.), и из которого затем получается комок кварковых и глюонных полей. Теоретические расчёты показывают, что в «глазме» глюонные силовые поля формируются между двумя пролетевшими ядрами в виде продольных трубок. Каждая такая трубка растянута в большом диапазоне по полярным углам, но имеет фиксированный азимутальный угол. Эта трубка получается вытянутой вдоль потому, что именно в этом направлении движутся частицы. Когда она распадётся на частицы, то они в момент рождения оказываются автоматически скоррелированными по азимутальному углу.[36][37]

24 сентября на детекторе CMS впервые зарегистрировано парное рождение Z-бозонов. Это событие может быть связано с бозоном Хиггса, который может образовываться в ходе столкновений протонов. Он должен распадаться на ряд других частиц, в частности Z-бозоны, которые могут быть зарегистрированы детекторами коллайдера. Непосредственно Z-бозоны детекторы зафиксировать не могут из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих элементарных частиц (около 3×10−25 секунды), однако они могут «поймать» мюоны, в которые превращаются Z-бозоны. CMS зарегистрировал рождение четырёх мюонов. Тем не менее, как отмечают учёные, одного подобного события недостаточно, чтобы делать определённые выводы: чтобы доказательно говорить о рождении бозона Хиггса, необходимо зарегистрировать множество событий рождения пар Z-бозонов.[38][39][40]

4 октября начались эксперименты с 200 сгустками на пучок[12]. Светимость БАКа в таком режиме работы превысила 6×1031 см−2с−1, то есть возросла в 10 000 раз с момента первых столкновений на полной энергии 7 ТэВ.[41]

4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений. В течение последней недели октября эксперименты велись с 368 сгустками на пучок. Пиковая светимость достигала значений 2×1032 см−2с−1, а за один ночной сеанс набора данных накапливалась интегральная светимость около 6 пикобарн−1.[42] Полная интегральная светимость, накопленная в основных детекторах коллайдера к ноябрю, составляет примерно 50 пикобарн−1, в то время как первые научные данные, представленные в июле на ICHEP-2010 (главной конференции года по физике элементарных частиц), базировались на светимости 0,2 пикобарн−1. Накопленная к настоящему времени статистика обрабатывается, и соответствующие научные результаты будут представлены на зимних и весенних конференциях 2010—2011. Сразу после завершения протон-протонных столкновений БАК переключился на столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца); в таком режиме он проработает примерно до рождественских каникул, затем последует остановка, а в январе 2011 года возобновятся эксперименты с протонными пучками.[43][44] Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня.[45]

7 ноября зарегистрированы столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ в трёх основных детекторах — ATLAS, CMS и специально адаптированном под ядерные столкновения детекторе ALICE.[45]

14 ноября количество сгустков в каждом из двух встречных ядерных пучков доведено до 121 (проектная величина — 592), а мгновенная светимость достигла 2×1025 см−2с−1 (2 % от проектной величины). Столь быстрый рост количества сгустков (за неделю) связан с тем, что магнитная система ускорителя и система безопасности были тщательно настроены и отлажены во время протонных сеансов работы. С другой стороны, не столь высокий уровень светимости по сравнению с протон-протонным режимом работы не является критичным для тех вопросов, которые будут изучаться в режиме ядерных столкновений. Самой важной характеристикой является частота интересных столкновений[42]. В протонных столкновениях интересные события происходят редко и имеют сечение меньше нанобарна, что при светимости 1032 см−2с−1 даёт не более нескольких событий в минуту, но для изучения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях достаточно почти каждого прямого соударения двух ядер, имеющего сечение примерно 8 барн, поэтому частота интересных событий достигает десятка в секунду.[46]

18 ноября в arXiv.org появились две статьи коллаборации ALICE. В этих статьях изложены первые результаты, полученные в столкновениях ядер свинца. В одной из них речь идёт об общем количестве частиц, рождавшихся в столкновениях ядер «лоб в лоб», а в другой изучается эффект, возникающий при нецентральном столкновении ядер, — эллиптический поток, позволяющий лучше понять свойства кварк-глюонной плазмы. Обнаружение эллиптического потока в эксперименте свидетельствует о том, что в столкновении ядер образовывается некоторое текучее состояние, то есть кварк-глюонная плазма. Как и в любом сплошном веществе, это состояние характеризуется тем, что его частицы постоянно сталкиваются друг с другом, а не «пролетают» мимо. Это означает, что для такого вещества можно приблизительно определить температуру, энтропию, вязкость и другие гидродинамические и термодинамические величины, изучать фазовые переходы при остывании и т. д.[47]

2 декабря в ЦЕРНе прошла презентация первых результатов, полученных в столкновении ядер свинца. Три экспериментальные группы (коллаборации экспериментов ATLAS, CMS и ALICE) выступили с докладами.[48] Коллаборация ATLAS рассказала об обнаруженном дисбалансе адронных струй, который свидетельствует о «гашении струй» (англ. jet quenching) в кварк-глюонной плазме.[49] Коллаборация CMS также представила данные по дисбалансу струй и, кроме того, изложила результаты по рождению тяжёлых мезонов (J/ψ и Υ), а также Z-бозонов, которые до этого никогда не регистрировались в столкновении ядер. Коллаборация ALICE, детектор которой оптимизирован именно для ядерных столкновений, представила гашение струй несколько иначе — через распределение рождённых адронов по поперечному импульсу. Представлены также данные по эллиптическому потоку и первые измерения физических параметров (объём, время жизни до остывания, вязкость) внутри сгустка кварк-глюонной плазмы. Кроме того, детектор ALICE «увидел» некоторые лёгкие антиядра — антидейтерий, антитритий, антигелий-3.[50]

6 декабря состоялся последний в 2010 году сеанс работы с пучками. Коллайдер остановлен на рождественские и новогодние праздники, работы возобновятся 24 января 2011 года, а протонные пучки будут вновь запущены в ускоритель в середине февраля.[51]

17 декабря в ЦЕРНе состоялась конференция, на которой представлены доклады коллабораций всех шести детекторов коллайдера, посвящённые результатам работы Большого адронного коллайдера в 2010 году.[52] С технической точки зрения работа коллайдера единодушно признана успешной, поскольку были достигнуты все цели, поставленные на 2010 год: выход на светимость выше 1032 см−2с−1, успешная работа с несколькими сотнями сгустков[12], хорошо отлаженный цикл работы коллайдера. Важным достижением стала корректная настройка систем безопасности и мониторинга пучков: суммарная энергия всех протонов, циркулирующих в ускорителе, достигала 28 мегаджоулей, что на порядок превышает предыдущее достижение.[53] Коллаборация CMS представила первые предварительные результаты по поиску суперсимметричных частиц. Свидетельств в пользу существования этих частиц в набранной статистике не обнаружено.

10.ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований




10.1.Учрежден:


29 сентября 1954 года.

10.2.Финансирование:


Австрия, Болгария, Бельгия, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швеция, Швейцария.

Наблюдатели: Израиль, Индия, Россия, США, Турция, Япония, Европейская комиссия, ЮНЕСКО.

Место: окрестности Женевы, на границе Швейцарии и Франции.


10.3.Территория:


>100 га в Швейцарии и > 450 га во Франции; подземные туннели охватывают на порядок большую площадь.

Персонал: около 3 тыс. постоянных сотрудников; в проектах участвуют около 6,5 тыс. ученых из 80 стран — почти половина специалистов по физике высоких энергий в мире.

Адрес в интернете: www.cern.ch

10.4.Миссия



Со времен Резерфорда физика микромира использует один и тот же прием: столкнуть посильнее две частицы и посмотреть, что получится в результате. Чтобы добраться до атомного ядра, нужна энергия, измеряемая миллионами электронвольт (МэВ), а кварковая структура материи проявляется на гигаэлектронвольтах (ГэВ). В столкновениях можно получить любые частицы, на которые хватит энергии по формуле Эйнштейна E=mc2. (Конечно, при этом должны соблюдаться законы сохранения, например, электрического заряда и др.) Большинство из них быстро распадаются, но по следам распада можно понять, с чем мы имели дело, и проверить предсказания теории. Именно так в 1983 году были обнаружены W- и Z-бозоны массой около 100 ГэВ — частицы-переносчики слабого взаимодействия, предсказанные в 1967 году в рамках теории электрослабого взаимодействия Глэшоу—Вайнберга—Салама. На сегодня подтверждены практически все предсказания Стандартной модели элементарных частиц. Не найден пока только загадочный бозон Хиггса — который нужен для объяснения, откуда у других частиц берется масса. Обнаружить его — главная задача строящегося коллайдера LHC.

10.5.Хроника



1952 — выбрано место для создания центра вблизи Женевы.

1953 — жители кантона Женева одобрили строительство на референдуме (16 539 против 7332).

1954 — начало строительства, официальное учреждение ЦЕРНа.

1957 — запущен первый синхроциклотрон SC с энергией 600 МэВ (закрыт в 1990 году).

1959 — запущен протонный синхротрон PS, 28 ГэВ.

1968 — изобретена многопроволочная пропорциональная камера (Нобелевская премия, 1992: Жорж Шарпак).

1971 — первый в мире протон-протонный коллайдер ISR (Intersecting Storage Rings), 62 ГэВ (закрыт в 1984-м).

1973 — на пузырьковой камере «Гаргамель» обнаружены нейтральные токи — решающее подтверждение теории электрослабого взаимодействия.

1976 — запущен протонный суперколлайдер SPS, 300 ГэВ (позже — 400 ГэВ).

1983 — открытие W- и Z-бозонов — Нобелевская премия, 1984: Карло Руббиа, Симон ван дер Меер.

1989 — запущен коллайдер LEP, длина кольца 27 км, энергия 45 ГэВ (остановлен в 2000-м для переделки в LHC).

1990 — Тим Бернес-Ли создал протокол HTTP и заложил основу World Wide Web — всемирной паутины.

1999 — начато строительство LHC (запуск ожидается в 2007-м).

2000 — впервые наблюдались признаки образования кварк-глюонной плазмы.

10.6.Установки



Linac2 (протоны, 50 МэВ) и Linac3 (тяжелые ионы) — линейные ускорители готовят пучки частиц для других установок.

PS Booster — протонный ускоритель, 1,4 ГэВ, окружность более 600 м. Принимает протоны от Linac2, разгоняет и подает в PS.

PS — протонный синхротрон (28 ГэВ, 1959), разгоняет протоны и тяжелые ионы и передает в SPS.

SPS — протонный суперсинхротрон (400 ГэВ, 1971), окружность 7 км. Первоначально работал с фиксированной мишенью, с 1981 года в режиме протон-антипротонного коллайдера. С 1989 года ускорял электроны и позитроны для LEP. С 2007 года будет ускорять протоны для LHC.



© CERN Copyright. Основные экспериментальные установки ЦЕРНа (изображение с сайта cdsweb.cern.ch)


LEP — Большой электрон-позитронный коллайдер (45 ГэВ, 1989), туннель окружностью 26 км 659 м проложен на глубине около 100 м. Остановлен в 2000 году для перестройки в LHC.

LHC — Большой адронный коллайдер (14 ТэВ, 2007), создается в туннеле LEP, станет крупнейшим в мире ускорителем на встречных протонных пучках. При нем сооружается пять основных экспериментальных установок. Две самые крупные CMS и ATLAS предназначены для детектирования бозона Хиггса, поиска подтверждений суперсимметрии и отклонений от Стандартной модели.

10.7.Персоналии



Жорж Шарпак, родился в 1924 году в Польше, еще в детстве уехал с родителями в Палестину, потом оказался в Париже. Во время войны был во французском сопротивлении, выжил в Дахау. В 1946-м получил французское гражданство. В ЦЕРНе работал с 1959-го по 1991 год и был там одной из ключевых фигур.

Тим Бернерс-Ли (фото с сайта www.inter.su)


Изобретенная им многопроволочная пропорциональная камера радикально повысила точность регистрации частиц и через 24 года принесла ему Нобелевскую премию.


Тим Бернерс-Ли (на фото), родился в 1955 году в Лондоне в семье математиков-компьютерщиков. В 1976 году закончил Оксфорд и собрал свой первый ПК. Идею гипертекста он придумал для личных нужд около 1980 года. В 1989 году, работая программистом в ЦЕРНе, предложил на ее основе построить совместный доступ к научным данным в распределенной компьютерной сети. Вскоре были готовы первые версии языка HTML и протокола HTTP. Всего через несколько лет проект обрел мировой масштаб, а сам Бернерс-Ли учредил Консорциум всемирной паутины (W3C), который занимается разработкой стандартов для интернета.

10.8.Легенды



Первая делегация из СССР появилась в ЦЕРНе в 1959 году. Члены делегации внесли целый ряд интересных предложений. Но всё же больше всего коллегам из ЦЕРНа запомнились два факта: никому не известный молчаливый «эксперт», который всюду сопровождал советских ученых, и банкет, организованный делегацией в отеле «Метрополь». Количество икры и водки вспоминали даже на 50-летнем юбилее ЦЕРНа. За доставку яств отвечал член делегации Иван Чувило — один из основателей и впоследствии директор Лаборатории высоких энергий при ОИЯИ в Дубне. Ему пришлось тогда приложить массу усилий, убеждая швейцарскую таможню в дипломатическом статусе своего багажа, чтобы его пропустили без досмотра.

10.9.Терминология


Адроны — класс частиц, состоящих из кварков.

Бозоны — частицы с целым значением спина; бозонами являются все переносчики взаимодействий.

Глюоны — частицы-переносчики взаимодействия, связывающие кварки в адронах.

Кварки — фундаментальные частицы материи.

Коллайдер — ускоритель, в котором сталкиваются два встречных пучка частиц.

Синхротрон — кольцевой ускоритель частиц с орбитой постоянного радиуса.

Стандартная модель — современная теория элементарных частиц; охватывает электрослабое и сильное взаимодействия.

Теория электрослабого взаимодействия — описывает электромагнитное и слабое взаимодействия как разные проявления одного взаимодействия.

Электронвольт =1,6 х 10–19 Дж — энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт.

Заключение


На начало 2011 года коллайдер был остановлен на рождественские каникулы и на нём были проведены технические работы и мелкий ремонт. Столкновения протонных пучков возобновились в середине марта 2011 года и будут происходить на суммарной энергии 7 ТэВ до конца 2011 года. Вопреки предварительным планам, советом директоров ЦЕРНа 31 января 2011 года было принято решение продолжить работу коллайдера в 2012 году. Это, возможно, позволит открыть бозон Хиггса, а также набрать статистику, необходимую для других исследований. Также в 2012 году возможно повышение энергии пучков до 4 ТэВ, окончательное решение об этом ещё не принято.


После окончания сеанса работы в 2012 году коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно будет длиться не менее полутора лет и займёт весь 2013 год. После ремонта ожидается повышение энергии протонов до проектной энергии в 7 ТэВ на пучок.


После того, как LHC выйдет на проектную энергию и светимость, планируется провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, в первую очередь SPS, что позволит заметно повысить светимость коллайдера (проект Super-LHC).


Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHеC). Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее.

Список используемой литературы


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

2.Будущий электрон-протонный коллайдер на базе LHC. Элементы.ру. Проверено 28 декабря 2010.

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

4.ссылка скрыта проверено 2011 год

5.ссылка скрыта

6.ссылка скрыта проверено 2010 год