Der LHC (Large Hadron Collider, LHC) ist der weltweit größte Teilchenbeschleuniger, liegt an der französisch-schweizerischen Grenze in Genf und gehört dem CERN. Das Hauptziel beim Bau des Large Hadron Collider war die Suche nach dem Higgs-Boson, dem schwer fassbaren Teilchen, das das letzte Element des Standardmodells darstellt. Der Collider hat die Aufgabe erfüllt: Physiker haben tatsächlich ein Elementarteilchen bei den vorhergesagten Energien entdeckt. Darüber hinaus wird der LHC in diesem Leuchtkraftbereich arbeiten und zwar so, wie es bei Spezialobjekten üblich ist: auf Wunsch von Wissenschaftlern. Denken Sie daran, dass sich die anderthalbmonatige Mission des Opportunity Rovers über zehn Jahre hinzog.

Nachdem Wissenschaftler nun das Higgs-Boson gefunden haben, werden sie nach einem noch schwerer zu fassenden Ziel suchen: der Dunklen Materie. Wir sind von dunkler Materie und dunkler Energie umgeben – unsichtbaren Substanzen, die Galaxien verbinden, sich aber in keiner Weise offenbaren. Das neue Papier beschreibt eine innovative Methode zur Suche nach Dunkler Materie mithilfe des Large Hadron Collider, bei der die relativ langsame Geschwindigkeit eines potenziellen Teilchens ausgenutzt wird.

Die Entstehungsgeschichte des Beschleunigers, den wir heute als Large Hadron Collider kennen, reicht bis ins Jahr 2007 zurück. Die Chronologie der Beschleuniger begann zunächst mit dem Zyklotron. Das Gerät war ein kleines Gerät, das problemlos auf den Tisch passte. Dann begann sich die Geschichte der Beschleuniger rasant zu entwickeln. Das Synchrophasotron und das Synchrotron erschienen.

Der vielleicht interessanteste Zeitraum in der Geschichte war der Zeitraum von 1956 bis 1957. Damals blieb die sowjetische Wissenschaft, insbesondere die Physik, nicht hinter ihren ausländischen Brüdern zurück. Dank jahrelanger Erfahrung gelang einem sowjetischen Physiker namens Wladimir Veksler ein Durchbruch in der Wissenschaft. Er schuf das damals leistungsstärkste Synchrophasotron. Seine Betriebsleistung betrug 10 Gigaelektronenvolt (10 Milliarden Elektronenvolt). Nach dieser Entdeckung wurden ernsthafte Proben von Beschleunigern geschaffen: der große Elektron-Positron-Beschleuniger, der Schweizer Beschleuniger, in Deutschland, den USA. Sie alle hatten ein gemeinsames Ziel – die Erforschung der fundamentalen Teilchen der Quarks.

Der Large Hadron Collider wurde vor allem dank der Bemühungen eines italienischen Physikers geschaffen. Sein Name ist Carlo Rubbia, Nobelpreisträger. Während seiner Karriere arbeitete Rubbia als Direktor bei der Europäischen Organisation für Kernforschung. Es wurde beschlossen, auf dem Gelände des Forschungszentrums einen Hadronenbeschleuniger zu bauen und zu starten.

Wo ist der Hadronenbeschleuniger?

Der Collider befindet sich an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich. Sein Umfang beträgt 27 Kilometer, weshalb er als groß bezeichnet wird. Der Beschleunigerring geht in eine Tiefe von 50 bis 175 Metern. Der Collider verfügt über 1232 Magnete. Sie sind supraleitend, was bedeutet, dass aus ihnen das maximale Beschleunigungsfeld erzeugt werden kann, da bei solchen Magneten praktisch kein Energieverbrauch anfällt. Das Gesamtgewicht jedes Magneten beträgt 3,5 Tonnen bei einer Länge von 14,3 Metern.

Wie jedes physische Objekt erzeugt der Large Hadron Collider Wärme. Daher muss es ständig gekühlt werden. Um dies zu erreichen, wird die Temperatur mit 12 Millionen Litern flüssigem Stickstoff auf 1,7 K gehalten. Darüber hinaus werden 700.000 Liter zur Kühlung verwendet, und vor allem wird ein Druck verwendet, der zehnmal niedriger ist als der normale Atmosphärendruck.

Eine Temperatur von 1,7 K auf der Celsius-Skala entspricht -271 Grad. Diese Temperatur liegt fast nahe an der sogenannten minimal möglichen Grenze, die ein physischer Körper haben kann.

Das Innere des Tunnels ist nicht weniger interessant. Es gibt Niob-Titan-Kabel mit supraleitenden Eigenschaften. Ihre Länge beträgt 7600 Kilometer. Das Gesamtgewicht der Kabel beträgt 1200 Tonnen. Das Innere des Kabels ist ein Geflecht aus 6.300 Drähten mit einer Gesamtlänge von 1,5 Milliarden Kilometern. Diese Länge entspricht 10 astronomischen Einheiten. Entspricht beispielsweise 10 solcher Einheiten.

Wenn wir über seine geografische Lage sprechen, können wir sagen, dass die Ringe des Colliders zwischen den Städten Saint-Genis und Forney-Voltaire auf französischer Seite sowie Meyrin und Vessourat auf Schweizer Seite liegen. Entlang des Durchmessers der Umrandung verläuft ein kleiner Ring namens PS.

Der Sinn der Existenz

Um die Frage „Wozu dient ein Hadronenbeschleuniger“ zu beantworten, müssen Sie sich an Wissenschaftler wenden. Viele Wissenschaftler sagen, dass dies die größte Erfindung in der gesamten Geschichte der Wissenschaft ist und dass die Wissenschaft, wie wir sie heute kennen, ohne sie einfach keine Bedeutung hat. Die Existenz und der Start des Large Hadron Collider sind interessant, da es zu einer Explosion kommt, wenn Teilchen im Hadron Collider kollidieren. Alle kleinsten Teilchen streuen in verschiedene Richtungen. Es entstehen neue Teilchen, die die Existenz und Bedeutung vieler Dinge erklären können.

Das erste, was Wissenschaftler in diesen abgestürzten Teilchen zu finden versuchten, war ein vom Physiker Peter Higgs theoretisch vorhergesagtes Elementarteilchen mit dem Namen „Dieses erstaunliche Teilchen ist vermutlich ein Informationsträger“. Es wird allgemein auch als „Teilchen Gottes“ bezeichnet. Seine Entdeckung würde Wissenschaftlern näher zum Verständnis des Universums bringen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Hadron Collider (sein Start war teilweise erfolgreich) am 4. Juli 2012 zur Entdeckung eines ähnlichen Teilchens beitrug. Heute versuchen Wissenschaftler, es genauer zu untersuchen.

Wie lang...

Da stellt sich natürlich sofort die Frage: Warum beschäftigen sich Wissenschaftler schon so lange mit diesen Teilchen? Wenn Sie über ein Gerät verfügen, können Sie es ausführen und jedes Mal mehr und mehr Daten erfassen. Tatsache ist, dass der Betrieb eines Hadronenbeschleunigers eine teure Angelegenheit ist. Ein Start kostet viel Geld. Der jährliche Energieverbrauch beträgt beispielsweise 800 Millionen kWh. Diese Energiemenge wird im Durchschnitt von einer Stadt mit etwa 100.000 Einwohnern verbraucht. Und darin sind die Wartungskosten noch nicht enthalten. Ein weiterer Grund ist, dass beim Hadron Collider die Explosion, die beim Zusammenstoß von Protonen auftritt, mit dem Empfang einer großen Datenmenge verbunden ist: Computer lesen so viele Informationen, dass die Verarbeitung viel Zeit in Anspruch nimmt. Auch wenn die Leistung von Computern, die Informationen empfangen, selbst nach heutigen Maßstäben groß ist.

Der nächste Grund ist nicht weniger bekannt: Wissenschaftler, die mit dem Collider in dieser Richtung arbeiten, sind zuversichtlich, dass das sichtbare Spektrum des gesamten Universums nur 4 % beträgt. Es wird angenommen, dass es sich bei den übrigen um Dunkle Materie und Dunkle Energie handelt. Sie versuchen experimentell zu beweisen, dass diese Theorie richtig ist.

Hadron Collider: dafür oder dagegen

Die aufgestellte Theorie der Dunklen Materie hat Zweifel an der Sicherheit des Hadronenbeschleunigers aufkommen lassen. Es stellte sich die Frage: „Hadron Collider: dafür oder dagegen?“ Er beunruhigte viele Wissenschaftler. Alle großen Geister der Welt werden in zwei Kategorien eingeteilt. „Gegner“ vertreten eine interessante Theorie, dass, wenn eine solche Materie existiert, es ein ihr entgegengesetztes Teilchen geben muss. Und wenn Teilchen im Beschleuniger kollidieren, entsteht ein dunkler Teil. Es bestand die Gefahr, dass der dunkle Teil und der Teil, den wir sehen, kollidieren würden. Dann könnte dies zum Tod des gesamten Universums führen. Nach dem ersten Start des Hadronenbeschleunigers wurde diese Theorie jedoch teilweise widerlegt.

Als nächstes kommt die Explosion des Universums, oder besser gesagt die Geburt. Es wird angenommen, dass man bei einer Kollision beobachten kann, wie sich das Universum in den ersten Sekunden seiner Existenz verhält. So wie es aussah, nachdem der Urknall entstand. Es wird angenommen, dass der Prozess der Teilchenkollisionen dem sehr ähnlich ist, der zu Beginn des Universums stattfand.

Eine weitere ebenso fantastische Idee, die Wissenschaftler testen, sind exotische Modelle. Es scheint unglaublich, aber es gibt eine Theorie, die besagt, dass es andere Dimensionen und Universen mit Menschen gibt, die uns ähnlich sind. Und seltsamerweise kann das Gaspedal auch hier helfen.

Einfach ausgedrückt besteht der Zweck des Beschleunigers darin, zu verstehen, was das Universum ist, wie es entstanden ist, und alle bestehenden Theorien über Teilchen und verwandte Phänomene zu beweisen oder zu widerlegen. Natürlich wird das Jahre dauern, aber mit jedem Start werden neue Entdeckungen gemacht, die die Welt der Wissenschaft revolutionieren.

Fakten zum Beschleuniger

Jeder weiß, dass ein Beschleuniger Teilchen auf 99 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, aber nicht viele wissen, dass dieser Prozentsatz 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit beträgt. Diese erstaunliche Figur macht dank des perfekten Designs und der leistungsstarken Beschleunigungsmagnete Sinn. Es gibt auch einige weniger bekannte Fakten zu beachten.

Die rund 100 Millionen Datenströme, die von jedem der beiden Hauptdetektoren kommen, könnten in Sekundenschnelle mehr als 100.000 CD-ROMs füllen. In nur einem Monat würde die Anzahl der Scheiben eine solche Höhe erreichen, dass sie gestapelt ausreichen würden, um den Mond zu erreichen. Daher wurde beschlossen, nicht alle Daten zu sammeln, die von den Detektoren stammen, sondern nur diejenigen, die vom Datenerfassungssystem verwendet werden dürfen, das tatsächlich als Filter für die empfangenen Daten fungiert. Es wurde beschlossen, nur 100 Ereignisse aufzuzeichnen, die zum Zeitpunkt der Explosion stattfanden. Diese Ereignisse werden im Archiv des Rechenzentrums des Large Hadron Collider aufgezeichnet, das sich im Europäischen Labor für Teilchenphysik befindet, wo sich auch der Beschleuniger befindet. Es werden nicht die aufgezeichneten Ereignisse aufgezeichnet, sondern diejenigen, die für die wissenschaftliche Gemeinschaft von größtem Interesse sind.

Nachbearbeitung

Nach der Aufzeichnung werden Hunderte Kilobyte an Daten verarbeitet. Zu diesem Zweck werden mehr als zweitausend Computer am CERN genutzt. Die Aufgabe dieser Computer besteht darin, Primärdaten zu verarbeiten und daraus eine Datenbank zu erstellen, die für die weitere Analyse geeignet ist. Als nächstes wird der generierte Datenfluss an das GRID-Computernetzwerk gesendet. Dieses Internet-Netzwerk vereint Tausende von Computern in verschiedenen Instituten auf der ganzen Welt und verbindet mehr als hundert große Zentren auf drei Kontinenten. Alle diese Zentren sind für maximale Datenübertragungsgeschwindigkeiten über Glasfaser mit dem CERN verbunden.

Wenn wir über Fakten sprechen, müssen wir auch die physikalischen Indikatoren der Struktur erwähnen. Der Beschleunigertunnel weicht um 1,4 % von der horizontalen Ebene ab. Dies geschah in erster Linie, um den größten Teil des Beschleunigertunnels in einem monolithischen Gestein zu platzieren. Dadurch ist die Platzierungstiefe auf gegenüberliegenden Seiten unterschiedlich. Wenn wir von der Seite des Sees aus zählen, der in der Nähe von Genf liegt, beträgt die Tiefe 50 Meter. Der gegenüberliegende Teil hat eine Tiefe von 175 Metern.

Das Interessante ist, dass die Mondphasen den Beschleuniger beeinflussen. Es scheint, wie ein so weit entferntes Objekt einen Einfluss auf eine solche Entfernung haben kann. Es wurde jedoch beobachtet, dass bei Vollmond, wenn die Flut auftritt, das Land im Raum Genf um bis zu 25 Zentimeter ansteigt. Dies wirkt sich auf die Länge des Colliders aus. Dadurch vergrößert sich die Länge um 1 Millimeter und auch die Strahlenergie ändert sich um 0,02 %. Da die Strahlenergie bis auf 0,002 % kontrolliert werden muss, müssen Forscher dieses Phänomen berücksichtigen.

Interessant ist auch, dass der Collider-Tunnel die Form eines Achtecks ​​hat und nicht eines Kreises, wie viele es sich vorstellen. Ecken entstehen durch kurze Abschnitte. Sie enthalten installierte Detektoren sowie ein System, das den Strahl beschleunigender Teilchen steuert.

Struktur

Der Hadron Collider, dessen Start viele Teile umfasst und bei Wissenschaftlern für große Aufregung sorgt, ist ein erstaunliches Gerät. Der gesamte Beschleuniger besteht aus zwei Ringen. Der kleine Ring wird Protonensynchrotron oder, um seine Abkürzungen zu verwenden, PS genannt. Der Große Ring ist das Super Proton Synchrotron oder SPS. Zusammen ermöglichen die beiden Ringe eine Beschleunigung der Teile auf 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit. Gleichzeitig erhöht der Collider auch die Energie der Protonen, sodass sich deren Gesamtenergie um das 16-fache erhöht. Außerdem können Teilchen etwa 30 Millionen Mal pro Sekunde miteinander kollidieren. innerhalb von 10 Stunden. Die 4 Hauptdetektoren produzieren mindestens 100 Terabyte digitale Daten pro Sekunde. Die Datenbeschaffung wird durch individuelle Faktoren bestimmt. Sie können beispielsweise Elementarteilchen nachweisen, die eine negative elektrische Ladung haben und zudem einen halben Spin haben. Da diese Teilchen instabil sind, ist ihr direkter Nachweis nicht möglich; es ist nur möglich, ihre Energie zu erfassen, die in einem bestimmten Winkel zur Strahlachse abgestrahlt wird. Diese Phase wird als erste Startebene bezeichnet. Diese Phase wird von mehr als 100 speziellen Datenverarbeitungskarten überwacht, die über eine integrierte Implementierungslogik verfügen. Dieser Teil der Arbeit zeichnet sich dadurch aus, dass während des Datenerfassungszeitraums mehr als 100.000 Datenblöcke pro Sekunde ausgewählt werden. Diese Daten werden dann für die Analyse verwendet, die mithilfe eines übergeordneten Mechanismus erfolgt.

Systeme auf der nächsten Ebene hingegen empfangen Informationen von allen Detektor-Threads. Die Detektorsoftware läuft in einem Netzwerk. Dort wird eine große Anzahl von Computern eingesetzt, um aufeinanderfolgende Datenblöcke zu verarbeiten. Die durchschnittliche Zeit zwischen den Blöcken beträgt 10 Mikrosekunden. Programme müssen Partikelmarkierungen erstellen, die den ursprünglichen Punkten entsprechen. Das Ergebnis wird ein generierter Datensatz sein, der aus Impuls, Energie, Flugbahn und anderen Daten besteht, die während eines Ereignisses entstanden sind.

Beschleunigerteile

Der gesamte Beschleuniger kann in 5 Hauptteile unterteilt werden:

1) Elektron-Positron-Kollider-Beschleuniger. Der Teil besteht aus etwa 7.000 Magneten mit supraleitenden Eigenschaften. Mit ihrer Hilfe wird der Strahl durch einen kreisförmigen Tunnel geleitet. Außerdem konzentrieren sie den Strahl zu einem Strahl, dessen Breite auf die Breite eines Haares reduziert wird.

2) Kompaktes Myon-Solenoid. Dies ist ein Allzweckdetektor. Ein solcher Detektor dient der Suche nach neuen Phänomenen und beispielsweise der Suche nach Higgs-Teilchen.

3) LHCb-Detektor. Die Bedeutung dieses Geräts besteht in der Suche nach Quarks und ihren Gegenteilchen – Antiquarks.

4) Ringkerninstallation ATLAS. Dieser Detektor dient zur Detektion von Myonen.

5) Alice. Dieser Detektor erfasst Bleiionenkollisionen und Proton-Proton-Kollisionen.

Probleme beim Start des Hadron Collider

Trotz der Tatsache, dass das Vorhandensein von Spitzentechnologie die Möglichkeit von Fehlern ausschließt, ist in der Praxis alles anders. Bei der Montage des Beschleunigers kam es zu Verzögerungen und Ausfällen. Es muss gesagt werden, dass diese Situation nicht unerwartet war. Das Gerät enthält so viele Nuancen und erfordert eine solche Präzision, dass Wissenschaftler ähnliche Ergebnisse erwarteten. Eines der Probleme, mit denen Wissenschaftler während des Starts konfrontiert waren, war beispielsweise der Ausfall des Magneten, der die Protonenstrahlen unmittelbar vor ihrer Kollision fokussierte. Ursache dieses schweren Unfalls war die Zerstörung eines Teils der Befestigung durch den Verlust der Supraleitung des Magneten.

Dieses Problem trat im Jahr 2007 auf. Aus diesem Grund wurde der Start des Colliders mehrmals verschoben, und erst im Juni fand der Start statt; fast ein Jahr später wurde der Collider gestartet.

Der jüngste Start des Colliders war erfolgreich und sammelte viele Terabyte an Daten.

Der am 5. April 2015 gestartete Hadron Collider ist erfolgreich im Betrieb. Im Laufe eines Monats werden die Strahlen durch den Ring gefahren und steigern dabei sukzessive ihre Leistung. Es gibt keinen Zweck für die Studie als solche. Die Kollisionsenergie des Strahls wird erhöht. Der Wert wird von 7 TeV auf 13 TeV angehoben. Ein solcher Anstieg wird es uns ermöglichen, neue Möglichkeiten bei Teilchenkollisionen zu erkennen.

Im Jahr 2013 und 2014 Es fanden ernsthafte technische Inspektionen von Tunneln, Beschleunigern, Detektoren und anderen Geräten statt. Das Ergebnis waren 18 bipolare Magnete mit supraleitender Funktion. Es ist zu beachten, dass ihre Gesamtzahl 1232 Stück beträgt. Die übrigen Magnete blieben jedoch nicht unbemerkt. Im Übrigen wurden die Kühlschutzsysteme ausgetauscht und verbesserte eingebaut. Auch das magnetische Kühlsystem wurde verbessert. Dadurch können sie mit maximaler Leistung bei niedrigen Temperaturen bleiben.

Wenn alles gut geht, wird der nächste Start des Beschleunigers erst in drei Jahren erfolgen. Nach diesem Zeitraum sind geplante Arbeiten zur Verbesserung und technischen Überprüfung des Colliders geplant.

Es ist zu beachten, dass Reparaturen ohne Berücksichtigung der Kosten einen hübschen Cent kosten. Der Hadron Collider hat im Jahr 2010 einen Preis von 7,5 Milliarden Euro. Mit dieser Zahl steht das Gesamtprojekt auf Platz eins der Liste der teuersten Projekte der Wissenschaftsgeschichte.

Es ist die Suche nach Möglichkeiten, zwei grundlegende Theorien zu kombinieren – GTR (über die Gravitationstheorie) und das Standardmodell (das Standardmodell, das drei grundlegende physikalische Wechselwirkungen kombiniert – elektromagnetische, starke und schwache). Die Suche nach einer Lösung vor der Errichtung des LHC wurde durch Schwierigkeiten bei der Entwicklung der Theorie der Quantengravitation erschwert.

Die Konstruktion dieser Hypothese beinhaltet die Kombination zweier physikalischer Theorien – der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie.

Dazu wurden mehrere populäre und moderne Ansätze verwendet – Stringtheorie, Brane-Theorie, Supergravitationstheorie und auch die Theorie der Quantengravitation. Vor dem Bau des Colliders war das Hauptproblem bei der Durchführung der notwendigen Experimente der Energiemangel, der mit anderen modernen Beschleunigern für geladene Teilchen nicht erreicht werden kann.

Der Genfer LHC gab Wissenschaftlern die Möglichkeit, bisher unmögliche Experimente durchzuführen. Es wird angenommen, dass in naher Zukunft viele physikalische Theorien mit Hilfe des Apparats bestätigt oder widerlegt werden. Eine der problematischsten ist die Supersymmetrie oder Stringtheorie, die die Physik seit langem in zwei Lager spaltet – die „Stringer“ und ihre Rivalen.

Weitere grundlegende Experimente, die im Rahmen der LHC-Arbeiten durchgeführt wurden

Interessant ist auch die Forschung von Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Untersuchung von Top-Quarks, den schwersten Quarks und den schwersten (173,1 ± 1,3 GeV/c²) aller derzeit bekannten Elementarteilchen.

Aufgrund dieser Eigenschaft konnten Wissenschaftler bereits vor der Entstehung des LHC Quarks nur am Tevatron-Beschleuniger beobachten, da andere Geräte einfach nicht über ausreichend Leistung und Energie verfügten. Die Theorie der Quarks wiederum ist ein wichtiges Element der gefeierten Higgs-Boson-Hypothese.

Wissenschaftler führen alle wissenschaftlichen Forschungen zur Entstehung und Untersuchung der Eigenschaften von Quarks im Top-Quark-Antiquark-Dampfbad des LHC durch.

Ein wichtiges Ziel des Genfer Projekts ist auch die Untersuchung des Mechanismus der elektroschwachen Symmetrie, die auch mit dem experimentellen Nachweis der Existenz des Higgs-Bosons verbunden ist. Um das Problem noch genauer zu definieren: Gegenstand der Untersuchung ist nicht so sehr das Boson selbst, sondern der von Peter Higgs vorhergesagte Mechanismus zum Brechen der Symmetrie der elektroschwachen Wechselwirkung.

Der LHC führt auch Experimente zur Suche nach Supersymmetrie durch – und das gewünschte Ergebnis wird sowohl ein Beweis für die Theorie, dass jedes Elementarteilchen immer von einem schwereren Partner begleitet wird, als auch deren Widerlegung sein.

Seit der Offenlegung von Informationen über den Zweck des Baus, das Design und den Betrieb des Hadron Colliders gibt es viele Vermutungen über die Konsequenzen, zu denen solche Forschungen führen könnten. Der Start des Colliders war ein Zeitpunkt, der die Geschichte in ein Vorher und ein Nachher unterteilen könnte. Selbst die klügsten Köpfe konnten nicht vorhersagen, wie sich Materie unter für irdische Bedingungen unnatürlichen Umständen verhalten würde. Der große Hadron hat viele unglaubliche Theorien und Vermutungen hervorgebracht Collider, aktuelle Nachrichten die in diesem Abschnitt zu finden sind.

Portal zu anderen Welten

Einer der erfolgreichen Starts des Colliders führte zu einem unerwarteten Ergebnis und öffnete ein Portal in eine andere Welt. Während der Kollision der Teilchen bildeten sich am Himmel über dem Experimentierort Wolken von ungewöhnlicher purpurroter Farbe, und es begann ein Wirbel, der an ein Portal erinnerte. Der Hadron Collider wurde entwickelt, um durch die Kollision von Protonen und Ionen auf kontrollierte Weise kleinere Versionen von Schwarzen Löchern zu erzeugen. Ob die Wissenschaftler ihr Ziel erreichten oder ob das „Portal“ nur ein Zufall war, ist nicht sicher.

Es ist bekannt, dass dies in naher Zukunft der Fall sein wird Hadronenbeschleuniger in Russland, dessen Leistung 100-mal größer sein wird als die Fähigkeiten des ersten Projekts. Vorläufige Fotos des in der Russischen Föderation gebauten Colliders sind in ihrer Größe atemberaubend. Welche Konsequenzen die Experimente am neuen LHC haben werden, lässt sich nur schwer vorhersagen. Wir empfehlen jedem, der sich für die Forschung in der Physik interessiert, einen Blick darauf zu werfen Collider-Video In Aktion.

Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein Beschleuniger für geladene Teilchen, der Physikern dabei helfen wird, viel mehr über die Eigenschaften der Materie zu erfahren, als bisher bekannt war. Beschleuniger dienen der Erzeugung hochenergetischer geladener Elementarteilchen. Der Betrieb fast aller Beschleuniger basiert auf der Wechselwirkung geladener Teilchen mit elektrischen und magnetischen Feldern. Das elektrische Feld wirkt direkt auf das Teilchen, das heißt, es erhöht seine Energie, und das magnetische Feld, das die Lorentzkraft erzeugt, lenkt das Teilchen nur ab, ohne seine Energie zu ändern, und legt die Umlaufbahn fest, auf der sich die Teilchen bewegen.

Ein Collider (englisch collide – „kollidieren“) ist ein Beschleuniger, der kollidierende Strahlen verwendet und dazu dient, die Produkte ihrer Kollisionen zu untersuchen. Ermöglicht es Ihnen, Elementarteilchen der Materie hohe kinetische Energie zu verleihen und sie aufeinander zu lenken, um eine Kollision zu erzeugen.

Warum „großes Hadron“

Der Collider wird aufgrund seiner Größe tatsächlich als groß bezeichnet. Die Länge des Hauptbeschleunigerrings beträgt 26.659 m; hadronisch - aufgrund der Tatsache, dass es Hadronen beschleunigt, also schwere Teilchen, die aus Quarks bestehen.

Der LHC wurde im Forschungszentrum des Europäischen Rates für Kernforschung (CERN) an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich, in der Nähe von Genf, gebaut. Heute ist der LHC die größte Experimentieranlage der Welt. Der Leiter dieses Großprojekts ist der britische Physiker Lyn Evans, und mehr als 10.000 Wissenschaftler und Ingenieure aus mehr als 100 Ländern beteiligten sich an Bau und Forschung.

Ein kleiner Ausflug in die Geschichte

In den späten 60er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelten Physiker das sogenannte Standardmodell. Es vereint drei der vier grundlegenden Wechselwirkungen – stark, schwach und elektromagnetisch. Die Gravitationswechselwirkung wird immer noch mit Begriffen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben. Das heißt, grundlegende Wechselwirkungen werden heute durch zwei allgemein anerkannte Theorien beschrieben: die allgemeine Relativitätstheorie und das Standardmodell.

Es wird angenommen, dass das Standardmodell Teil einer tieferen Theorie der Struktur der Mikrowelt sein sollte, des Teils, der in Experimenten an Kollidern bei Energien unter etwa 1 TeV (Teraelektronenvolt) sichtbar ist. Das Hauptziel des Large Hadron Collider besteht darin, zumindest erste Hinweise darauf zu erhalten, was diese tiefere Theorie ist.

Zu den Hauptzielen des Colliders gehört auch die Entdeckung und Bestätigung des Higgs-Bosons. Diese Entdeckung würde das Standardmodell des Ursprungs elementarer Atomteilchen und Standardmaterie bestätigen. Wenn der Collider mit voller Leistung läuft, wird die Integrität des Standardmodells zerstört. Elementarteilchen, deren Eigenschaften wir nur teilweise verstehen, werden ihre strukturelle Integrität nicht aufrechterhalten können. Das Standardmodell hat eine obere Energiegrenze von 1 TeV, oberhalb derer ein Teilchen zerfällt. Bei einer Energie von 7 TeV könnten Teilchen mit Massen entstehen, die zehnmal größer sind als die derzeit bekannten.

Technische Eigenschaften

Es wird erwartet, dass im Beschleuniger Protonen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV (das heißt 14 Teraelektronenvolt oder 14·1012 Elektronenvolt) im System des Massenschwerpunkts der einfallenden Teilchen sowie Bleikerne mit einer Energie von kollidieren 5 GeV (5·109 Elektronenvolt) für jedes Paar kollidierender Nukleonen.

Die Leuchtkraft des LHC betrug in den ersten Wochen seines Betriebs noch nicht mehr als 1029 Teilchen/cm²·s, sie steigt jedoch stetig weiter an. Ziel ist es, eine nominelle Leuchtkraft von 1,7 × 1034 Partikeln/cm² s zu erreichen, was in der gleichen Größenordnung liegt wie die Leuchtkräfte von BaBar (SLAC, USA) und Belle (KEK, Japan).

Der Beschleuniger befindet sich im selben Tunnel, in dem sich früher der Large Electron-Positron Collider unter der Erde in Frankreich und der Schweiz befand. Die Tiefe des Tunnels beträgt 50 bis 175 Meter und der Tunnelring weist eine Neigung von ca. 1,4 % gegenüber der Erdoberfläche auf. Zum Halten, Korrigieren und Fokussieren von Protonenstrahlen werden 1624 supraleitende Magnete verwendet, deren Gesamtlänge 22 km übersteigt. Die Magnete arbeiten bei einer Temperatur von 1,9 K (−271 °C), was etwas unter der Temperatur liegt, bei der Helium supraflüssig wird.

BAK-Detektoren

Der LHC verfügt über 4 Haupt- und 3 Hilfsdetektoren:

• ALICE (Ein großes Ionenkollider-Experiment)
• ATLAS (Ein toroidaler LHC-Apparat)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (Das Schönheitsexperiment des Large Hadron Collider)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider vorwärts)
• MoEDAL (Monopol- und Exotendetektor am LHC).

Der erste von ihnen ist für die Untersuchung von Schwerionenkollisionen ausgelegt. Die Temperatur und Energiedichte der dabei gebildeten Kernmaterie reicht für die Entstehung von Gluonenplasma aus. Das Internal Tracking System (ITS) in ALICE besteht aus sechs zylindrischen Schichten von Siliziumsensoren, die den Auftreffpunkt umgeben und die Eigenschaften und präzisen Positionen der austretenden Partikel messen. Auf diese Weise können Teilchen, die ein schweres Quark enthalten, leicht nachgewiesen werden.

Der zweite soll Kollisionen zwischen Protonen untersuchen. ATLAS ist 44 Meter lang, hat einen Durchmesser von 25 Metern und wiegt etwa 7.000 Tonnen. In der Mitte des Tunnels kollidieren Protonenstrahlen, was ihn zum größten und komplexesten Sensor seiner Art macht, der jemals gebaut wurde. Der Sensor zeichnet alles auf, was während und nach der Protonenkollision passiert. Ziel des Projekts ist es, Teilchen aufzuspüren, die bisher in unserem Universum noch nicht registriert oder nachgewiesen wurden.

CMS ist einer von zwei riesigen universellen Teilchendetektoren am LHC. Rund 3.600 Wissenschaftler aus 183 Laboren und Universitäten in 38 Ländern unterstützen die Arbeit des CMS (Das Bild zeigt das CMS-Gerät).

Die innerste Schicht ist ein Tracker auf Siliziumbasis. Der Tracker ist der weltweit größte Siliziumsensor. Es verfügt über 205 m2 Siliziumsensoren (ungefähr die Fläche eines Tennisplatzes) mit 76 Millionen Kanälen. Mit dem Tracker können Sie Spuren geladener Teilchen in einem elektromagnetischen Feld messen.

Auf der zweiten Ebene befindet sich ein elektromagnetisches Kalorimeter. Das Hadronenkalorimeter auf der nächsten Ebene misst die Energie der einzelnen erzeugten Hadronen.

Die nächste Schicht des Large Hadron Collider CMS ist ein riesiger Magnet. Der große Magnetmagnet ist 13 Meter lang und hat einen Durchmesser von 6 Metern. Es besteht aus gekühlten Spulen aus Niob und Titan. Dieser riesige Magnetmagnet arbeitet mit voller Stärke, um die Lebensdauer der Magnetpartikel zu maximieren.

Die fünfte Schicht besteht aus Myonendetektoren und einem Rücklaufjoch. Das CMS soll die verschiedenen Arten der Physik untersuchen, die bei energiereichen LHC-Kollisionen entdeckt werden können. Bei einigen dieser Forschungsarbeiten geht es darum, die Messungen der Parameter des Standardmodells zu bestätigen oder zu verbessern, bei vielen anderen geht es um die Suche nach neuer Physik.

Über den Large Hadron Collider kann man noch lange viel reden. Wir hoffen, dass unser Artikel dazu beigetragen hat, zu verstehen, was der LHC ist und warum Wissenschaftler ihn brauchen.