Cos'è un collisore e perché è necessario?

100 metri sotto terra, al confine tra Francia e Svizzera, è un dispositivo in grado di svelare i segreti dell'universo. O, secondo alcuni, distruggere tutta la vita sulla Terra.

Ad ogni modo, questa è la più grande macchina al mondo, ed è usata per studiare le particelle più piccole dell'universo. Questo è il Large Hadron (non Android) Collider (LHC).

Breve descrizione

Il LHC fa parte di un progetto guidato dall'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN). Il collisore è incluso nel complesso acceleratore del CERN fuori Ginevra, in Svizzera, ed è utilizzato per accelerare i fasci di protoni e ioni a velocità prossime alla velocità della luce, particelle che entrano in collisione tra loro e registrano gli eventi risultanti. Gli scienziati sperano che ciò contribuirà a saperne di più sull'emergenza dell'universo e sulla sua composizione.

Cos'è un collisore (LHC)? Questo è l'acceleratore di particelle più ambizioso e potente, costruito fino ad oggi. Migliaia di scienziati di centinaia di paesi collaborano e competono l'un l'altro nella ricerca di nuove scoperte. Per raccogliere dati sperimentali, vengono forniti 6 siti lungo la circonferenza del collisore.

Le scoperte fatte con esso possono essere utili in futuro, ma questo non è il motivo della sua costruzione. L'obiettivo del Large Hadron Collider è di espandere la nostra conoscenza dell'Universo. Dato che LHC vale miliardi di dollari e richiede la cooperazione di molti paesi, la mancanza di applicazioni pratiche potrebbe essere inaspettata.

A cosa serve Hadron Collider?

Nel tentativo di comprendere il nostro universo, il suo funzionamento e la sua struttura effettiva, gli scienziati hanno proposto una teoria chiamata modello standard. Cerca di identificare e spiegare le particelle fondamentali che rendono il mondo così com'è. Il modello combina elementi La teoria della relatività di Einstein con la teoria dei quanti. Prende anche in considerazione 3 delle 4 forze principali dell'Universo: interazioni nucleari forti e deboli ed elettromagnetismo. La teoria non riguarda la quarta forza fondamentale: la gravità.

Il modello standard ha fornito diverse previsioni sull'universo che sono coerenti con vari esperimenti. Ma ci sono altri aspetti che richiedono conferma. Uno di questi è una particella teorica chiamata bosone di Higgs.

La sua scoperta fornisce una risposta alle domande sulla massa. Perché la materia lo possiede? Gli scienziati hanno identificato particelle che non hanno massa, ad esempio neutrini. Perché alcuni lo hanno, ma altri no? I fisici hanno offerto molte spiegazioni.

Il più semplice di questi è il meccanismo di Higgs. Questa teoria dice che c'è una particella e la sua forza corrispondente, che spiega la presenza di massa. Non è mai stato osservato prima, quindi gli eventi creati dall'LHC avrebbero dovuto provare l'esistenza del bosone di Higgs o fornire nuove informazioni.

Un'altra domanda che gli scienziati stanno ponendo riguarda la nascita dell'universo. Quindi la materia e l'energia erano una cosa sola. Dopo la loro separazione, le particelle di materia e antimateria si distrussero a vicenda. Se il loro numero fosse uguale, allora non sarebbe rimasto nulla.

Ma, fortunatamente per noi, c'era più materia nell'universo. Gli scienziati sperano di osservare l'antimateria mentre l'LHC funziona. Questo potrebbe aiutare a capire la ragione della differenza nella quantità di materia e antimateria quando l'Universo iniziò.

Materia oscura

La moderna comprensione dell'universo suggerisce che finora solo il 4% circa della materia che deve esistere può essere osservato. Il movimento delle galassie e di altri corpi celesti suggerisce che c'è molta più materia visibile.

Gli scienziati hanno definito oscura questa questione indefinita. La materia oscura e osservata è circa il 25%. L'altro 3/4 proviene da un'ipotetica energia oscura che contribuisce all'espansione dell'universo.

Gli scienziati sperano che i loro esperimenti forniscano ulteriori prove dell'esistenza della materia oscura e dell'energia oscura, o confermeranno una teoria alternativa.

Ma questa è solo la punta dell'iceberg della fisica delle particelle elementari. Ci sono ancora cose più esotiche e controverse che devono essere rivelate e perché è necessario il collisore.

Microscala big bang

Spingendo i protoni ad una velocità sufficientemente elevata, l'LHC li suddivide in subparticelle atomiche più piccole. Sono molto instabili, e prima del decadimento o della ricombinazione, c'è solo una frazione di secondo.

Secondo la teoria del Big Bang, in origine tutti consistevano in materia. Mentre l'universo si espandeva e si raffreddava, si coalizzavano in particelle più grandi, come protoni e neutroni.

Teorie insolite

Se le particelle teoriche, l'antimateria e l'energia oscura non sono abbastanza esotiche, alcuni scienziati ritengono che l'LHC possa fornire prove dell'esistenza di altre dimensioni. Si ritiene che il mondo sia quadridimensionale (spazio tridimensionale e tempo). Ma i fisici suppongono che possano esserci altre dimensioni che le persone non possono percepire. Ad esempio, una versione della teoria delle stringhe richiede almeno 11 misurazioni.

Gli aderenti a questa teoria sperano che l'LHC fornisca la prova del loro modello proposto dell'universo. Secondo loro, i mattoni fondamentali non sono particelle, ma stringhe. Possono essere aperti o chiusi e vibrare come una chitarra. La differenza nelle vibrazioni rende le corde differenti. Alcuni si manifestano sotto forma di elettroni, mentre altri sono realizzati come neutrini.

Cos'è un collisore in numeri?

LHC è un design imponente e potente. Consiste di 8 settori, ognuno dei quali è un arco, delimitato a ciascuna estremità da una sezione chiamata "insert". La circonferenza del collisore è di 27 km.

I tubi acceleratori e le camere di collisione si trovano a 100 metri sotto terra. L'accesso ad essi è fornito da un tunnel di servizio con ascensori e scale situato in diversi punti lungo la circonferenza dell'LHC. Il CERN ha anche costruito edifici a terra dove i ricercatori possono raccogliere e analizzare i dati generati dai rilevatori di collettori.

Per controllare i fasci di protoni che si muovono ad una velocità del 99,99% la velocità della luce i magneti sono usati Sono enormi, pesano diverse tonnellate. Ci sono circa 9.600 magneti nell'LHC. Raffreddano a 1,9 K (-271,25 ° C). È al di sotto della temperatura dello spazio esterno.

I protoni all'interno del collisore passano attraverso i tubi con il vuoto ultra-alto. Questo è necessario in modo che non ci siano particelle che potrebbero incontrare prima di raggiungere l'obiettivo. Una singola molecola di gas può portare al fallimento dell'esperimento.

Ci sono 6 sezioni sulla circonferenza di un grande collisore dove gli ingegneri possono condurre i loro esperimenti. Possono essere confrontati con i microscopi con una fotocamera digitale. Alcuni di questi rivelatori sono enormi - ATLAS è un dispositivo lungo 45 metri, alto 25 metri e del peso di 7 tonnellate.

LHC impiega circa 150 milioni di sensori che raccolgono dati e li inviano alla rete di computer. Secondo il CERN, la quantità di informazioni ottenute durante gli esperimenti è di circa 700 MB / s.

Ovviamente, un tale collisore ha bisogno di molta energia. Il suo consumo energetico annuale è di circa 800 GWh. Potrebbe essere stato molto più grande, ma la struttura non funziona durante i mesi invernali. Secondo il CERN, il costo dell'energia è di circa 19 milioni di euro.

Collisione di protoni

Il principio alla base della fisica del collisore è abbastanza semplice. Per prima cosa vengono lanciati due fasci: uno in senso orario e il secondo contro. Entrambe le correnti sono accelerate alla velocità della luce. Quindi vengono inviati l'uno verso l'altro e osservano il risultato.

L'attrezzatura necessaria per ottenere questo risultato è molto più complicata. LHC fa parte del complesso del CERN. Prima che alcune particelle entrino nell'LHC, stanno già attraversando una serie di passaggi.

In primo luogo, per produrre protoni, gli scienziati devono privare gli atomi di elettroni di idrogeno. Quindi le particelle vengono inviate all'installazione di LINAC 2, che le lancia nell'acceleratore PS Booster. Queste macchine utilizzano un campo elettrico variabile per accelerare le particelle. I campi creati da magneti giganti aiutano a trattenere le travi.

Quando il raggio raggiunge il desiderato livello di energia PS Booster lo dirige verso il super sincrotrone SPS. Il flusso viene accelerato ancora di più ed è suddiviso in 2808 raggi con 1,1 x 1011 protoni. L'SPS introduce i raggi nell'LHC in senso orario e antiorario.

All'interno del Large Hadron Collider, i protoni continuano ad accelerare per 20 minuti. Alla massima velocità, eseguono 11245 giri attorno al LHC ogni secondo. I raggi convergono su uno dei 6 rilevatori. Quando ciò accade 600 milioni di collisioni al secondo.

Quando 2 protoni si scontrano, vengono suddivisi in particelle più piccole, inclusi quark e gluoni. I quark sono molto instabili e cadono a pezzi in una frazione di secondo. I rivelatori raccolgono informazioni rintracciando il percorso delle particelle subatomiche e le inviano alla rete di computer.

Non tutti i protoni si scontrano. Il resto continua a muoversi verso la sezione di scarica del fascio, dove vengono assorbiti dalla grafite.

rilevatori

Lungo la circonferenza del collisore ci sono 6 sezioni in cui i dati vengono raccolti e gli esperimenti sono condotti. Di questi, 4 sono rilevatori di base e 2 sono più piccoli.

Il più grande è ATLAS. Le sue dimensioni sono 46 x 25 x 25 m. Il localizzatore rileva e analizza l'impulso delle particelle che passano attraverso ATLAS. È circondato da un calorimetro, che misura l'energia delle particelle, assorbendole. Gli scienziati possono osservare la traiettoria dei loro movimenti e estrapolare informazioni su di loro.

Il rilevatore ATLAS ha anche uno spettrometro a muoni. I muoni sono particelle caricate negativamente 200 volte più pesanti degli elettroni. Sono gli unici in grado di passare attraverso il calorimetro senza fermarsi. Lo spettrometro misura la quantità di moto di ciascun muone mediante sensori di particelle cariche. Questi sensori sono in grado di rilevare le fluttuazioni nel campo magnetico ATLAS.

Il solenoide a muoni compatto (CMS) è un rivelatore di uso generale che rileva e misura le subparticelle rilasciate durante le collisioni. Il dispositivo si trova all'interno di un magnete a solenoide gigante, che può creare un campo magnetico che è quasi 100 mila volte più grande di Campo magnetico terrestre.

Il rilevatore ALICE è progettato per studiare le collisioni di ioni di ferro. Pertanto, i ricercatori sperano di ricreare condizioni simili a quelle che si sono verificate immediatamente dopo il Big Bang. Si aspettano di vedere come gli ioni si trasformano in una miscela di quark e gluoni. Il componente principale di ALICE è la fotocamera TPC, che serve per studiare e ricreare la traiettoria delle particelle.

LHC è usato per cercare prove dell'esistenza dell'antimateria. Lo fa cercando una particella chiamata il grazioso quark. Un numero di subdetector che circondano un punto di collisione sono lunghi 20 metri. Possono raccogliere particelle molto instabili e in rapido decadimento di bellissimi quark.

L'esperimento TOTEM è condotto su un sito con uno dei piccoli rilevatori. Misura la dimensione dei protoni e la luminosità del LHC, indicando la precisione della creazione di collisione.

L'esperimento LHC simula i raggi cosmici in un ambiente controllato. Il suo scopo è di aiutare nello sviluppo di studi su larga scala di raggi cosmici reali.

Un team di ricercatori, che conta da poche decine a più di mille scienziati, lavora in ogni sito di rilevamento.

Elaborazione dati

Non sorprendentemente, un tale collisore genera un enorme flusso di dati. I 15.000.000 di GB ricevuti annualmente dai rilevatori di LHC rappresentano una tremenda sfida per i ricercatori. La sua soluzione è una rete di computer composta da computer, ognuno dei quali è in grado di analizzare in modo indipendente un dato. Non appena il computer completa l'analisi, invia i risultati al computer centrale e riceve un nuovo batch.

Gli scienziati del CERN hanno deciso di concentrarsi sull'uso di attrezzature relativamente economiche per eseguire i loro calcoli. Invece di acquistare server e processori avanzati, viene utilizzato l'hardware esistente che può funzionare bene sulla rete. Con l'aiuto di un software speciale, una rete di computer sarà in grado di memorizzare e analizzare i dati di ogni esperimento.

Pericolo per il pianeta?

Alcuni temono che un collisore così potente possa rappresentare una minaccia per la vita sulla Terra, inclusa la partecipazione alla formazione di buchi neri, "materia strana", monopoli magnetici, radiazioni, ecc.

Gli scienziati respingono costantemente tali affermazioni. La formazione di un buco nero è impossibile, poiché c'è una grande differenza tra protoni e stelle. "Strana materia" avrebbe potuto essere formato molto tempo fa sotto l'influenza dei raggi cosmici, e il pericolo di queste formazioni ipotetiche è molto esagerato.

Il collisore è estremamente sicuro: è separato dalla superficie da uno strato di terreno di 100 metri e durante gli esperimenti non è permesso che il personale sia sottoterra.