Репортаж з того самого великого колайдера про який ходить стільки анекдотів. Це місце де люди в білих халатах шукають дірку чорному просторі. Де скоро почнеться кінець світу бо створять антиматерію. Це один з найбільших та найскладніших наукових комплексів що коли небуть створило людство. Це місце де працює половина фізиків-ядерщиків з усього світу.
Частина труби Великого Андронного Колайдера, Церн. Швейцарія
Перший прискорювач частинок в ЦЕРН-і
Просто гарна споруда з дерева в якій є музей мікрочастинок, вхід вільний
Великий колайдер розташований в швейцарському місті Церн. Його головне призначення це рухати науку вперед. Сто років тому Резерфорд досліджував будову атома. Тоді це здавалося нікому не потрібним. Зате зараз ми маємо напівпровідники (компютери та смартфони) і атомну енергетику. В шістдесятих люди летіли на місяць – теж не дуже корисне заняття. Зате тепер ми юзаємо супутники і GPS.
Сьогодні людство здатне працювати на рівні атомів, ми це називаємо нанотехнології. В Церні досліджують будову речовини нижче рівня атома. І це буде наше майбутнє на наступні десятиліття.
Діти часто питають «А з чого все складається?». Відповідь дорослих: «З молекул, а молекули з атомів». Наступне питання: «А з чого складаються атоми?» Відповідь: «З протонів, електронів і нейтронів». Наступне питання: «І що, так до безконечності?».
Ні! В Церн саме досліджують останню ланку ланцюга з чого все складається. Це гарна новина, значить скоро вони заспокояться з тими колайдерами.
Справжній Пепелац 🙂
По цій трубі несуться протони з швидкістю 99% від світла
Далі я опишу в деталях сам колайдер. Це надзвичайно складний комплекс. Значно складніший ніж здається коли читаєш про нього в інтернеті. І щоб його створити прийшлося було винайти багато технологій які ми вже зараз використовуємо в побуті. Перший веб-сервер, наприклад, стояв саме тут, як і ІР-роутер Cisco та розподілені обчислення. Магніти для МРТ, опромінювачі для лікування раку – були суттєво вдосконалені саме тут, в Церні.
Бо Церн – це як війна в мирний час. Війна мобілізує людські ресурси. По її закінчення людство має багато цікавих та корисних винаходів. Так само і тут, вчені тренуються на бойовому проекті. Для будівництва колайдера людство винаходить все нові і нові технології. А потім використовує їх у мирному житті. Тому коли я чую про Колайдер: «Їм що, там більше нема чим зайнятися!» то згадую бабусю-мем «Та шо ти за тим компутором сидиш! Йди краще бульбу скопай». Тобто не завжди результат очевидний і лежить отут перед носом.
Ну а тепер до технічних деталей. Як дізнатися з чого складається іграшка? Правильно, треба її поламати. Ми (тобто людство) колись поламало атом щоб подивитися що всередині. На наше щастя атом ламався відносно просто: висока температура, електричне поле, радіаційні поля. А от наступний рівень ламання протонів та електронів вже вимагав значно більше сили, тобто вищої енергії. Тому і почали будувати різні прискорювачі елементарних частинок. Це схоже як кидати сейф з девятого поверху щоб його відкрити. Чим більша швидкість тим більша ймовірність що вони розламаються при зіткненні. Це я так, пояснюю на пальцях для тих хто не в темі.
Після ДСВ європейська наука була в плачевному стані. Багато вчених виїхали в Штати, багато загинуло. На той час ядерна фізика це було як зараз штучний інтелект для керування БПЛА. Дуже затребувана галузь знань. Будувалися атомні бомби, атомні реактори, терміново потрібно було вчитися це робити. Жодна Європейська країна не могла потягнути такий масштабний науковий проект як прискорювач частинок. Тому вони між собою домовилися, «скинулися» і заснували ЦЕРН.
Основними засадами були:
1) Уся діяльність є відкритою, результати доступні публічно
2) Ніякої військової техніки
Так і живуть досі. Пиляють свій бюджет в кілька мільярдів, інститут потихеньку робить відкриття що потім удостоюються нобелівських премій.
Країни учасниці проекту
Перший прискорювач частинок був збудований тут ще в 50-х роках і прослужив аж до середини 90-х. Після того він п’ятнадцять років стояв вимкнений аж поки рівень радіації не впав до безпечного рівня. Тоді туди стало можливим пускати нас, тобто туристів. Цей прискорювач збудований на поверхні землі та є оточений семиметровими бетонними стінами і такими ж дверима. Все це щоб стримати радіацію. Він працював по принципу мікрохвильовки. Є два великих потужних магніти а між ними створюється високочастотне поле (315 МГц). В цей проміжок інжектуються протони водню. Під дією електричного та магнітного полів ці частинки починають рухатися по колу. Так вони крутяться і крутяться, аж поки не розженуться до 90% швидкості світла. Після чого їх з розгону вдаряють в нерухому ціль і дивляться що ж получилося.
Перший прискорювач на пенсії
Дозиметра я не мав, але казали шо фонить ще досі
По суті велика мікрохвильовка
Магніт мав водяне охолодження
Фото при денному світлі
Вулиці тут названі в честь нобелівський лауреатів
Проста та ефективна конструкція. Але якщо потрібно дійти до 99% швидкості світла то такого великого магніту не збудуєш в принципі. То ж почали робити круглі прискорювачі, як бублик. Принцип дії круглих, чи циклонних, колайдерів доволі простий. По колу стоять магніти що вмикаються в потрібний момент часу. Чим більший діаметр кола, тим швидше можна розігнати частинки. Це як гоночна траса. Чим гладкіші повороти тим швидше мчить болід.
Великий Андронний Колайдер це найбільший з усіх сучасних прискорювачів частинок. Він має довжину понад 40 км і знаходиться 100 метрів під землею. Причому він розганяє не один, а зразу два пучки протонів назустріч один одному. А потім ще й робить їм дуже теплу зустріч один з одним. Десь на кілька мільйонів градусів 😉 Та загальна енергія цього вибуху не перевищує пів джоуля, бо маса мала частинок. Тому нічого навколо не плавиться і не вибухає
Нафтопровід Дружба!
По жовтих трубах біжать розігнані протони. Навколо електромагніт для їх фокусування.
Давайте все по порядку. Водень розщеплюється на протони які спочатку прискорюються електричним полем. Потім вони йдуть по двом меншим кільцевим прискорювачем а вже аж тоді попадають в головне кільце довжиною 40 км. Це оті сині труби на фотках. Всередині труб вакуум, інакше б частинки стикалися з газом і не розганялися. Якщо не викачати повітря, то це буде не вулична гонка, а тягучка серед інших машин в час пік. Для того щоб частинки летіли по центру труби і не вдарялися в стінки навколо створюють потужне магнітне поле в кілька десятків Тесл ічи Гаусів, не памятаю вже. Щоб створити таке поле потрібна сила струму 15тисяч ампер. В розетці, наприклад, не більше 15 ампер. Такий струм поплавить будь-який магніт. Крім надпровідного.
Надпровідний – означає охолодити цю всю конструкцію до 1.5К рідким гелієм. Тоді струм тектиме по магніту без втрат і не нагріватиме його. Так от, третина всього гелію що є на Землі зараз знаходиться в рідкому стані і закачана в труби колайдера. Сподіваюся вони той гелій десь над Антарктикою набирали. Хоч він для дихання не потрібний, але для чогось в повітрі є! Тобто був. Більше того, вони хочуть будувати 100-кілометровий колайдер і шукають замінник гелію. Бо стільки не напасешся.
Труби колайдера тому такі складні і дорогі власне через ці низькі температури та надмагніти. Бо не достатньо просто викачати повітря і все охолодити. Потрібно ще забезпечити теплові розширення конструкції. А це аж 9 метрів. Тобто щоб всі контакти та з’єднання мають ще й рухалися! А також необхідно ізолювати труби від навколишнього середовища при перепаді температури в 300 градусів. Наприклад взимку ми ізольовуємо свої помешкання на перепад максимум 50 градусів. І то даємо грубий пінопласт плюс пористі блоки. А тут врази більше.
Будова труби колайдера
Один цикл охолодження колайдера триває 4-6 тижнів. Стільки ж і нагрівання назад. Тобто якщо щось поламалося і потрібно його зупинити то це капець яка довга процедура.
Коли розігнані частинки стикаються між собою то виникає купа нових частинок. Їх всіх вимірюють та реєструють в детекторі. Це власне те, для чого він і будувався. Найбільший та найкрутіший детектор колайдера, той що всі бачили по телевізору, називається Атлас. Він є круглий, бо саме тут частинки стикаються і розлітаються на всі сторони світу. Він також величезний, кілька десятків метрів в діаметрі. В ньому різні детектори стоять шарами. Складність реєстрації частинок полягає в тому, що деякі з них, як ото бозон Хікса, живуть наносекунди і потім перетворюються в інші частинки чи фотони. А деякі, особливо нейтрони, можуть пролетіти той весь детектор і ніде ні з чим не стикнутися. Тобто не бути зареєстрованим.
Детекторів тут багато і різних, від напівпровідникових матриць, як в камері телефона, і аж до сцинтиляційлих та електростатичних. В сумі вони разом дають кілька тисяч мегапікселів і продукують приблизно один терабайт даних в секунду. А це цілий жорсткий диск!
Зразу на місці стоять комп’ютери що ці дані аналізують і відбирають потенційно цікаві. Відповідно в секунду стає вже «лише» 300Мб даних. А експеримент ж то триває десять годин… Тут вони мусіли добряче постаратися щоб все це зберігати та обробляти. А також передавати по світу для аналізу. От тобі і був поштовх для розвитку комп’ютерних мереж.
А це вже реєстратори частинок. А на них звичайні побутові цангові розєми
Подібне до СБМ-20 по принципу дії
Ну і під шумок на детекторі можна і мед добувати
Напівпровідниковий детектор. Він найближче до точки зіткнення
Електричний детектор частинок
Теж детектор на газорозрядних трубках.
А тут колись тримали всі дані. Шафа з касетами. Ще був робот що їх вмів міняти
Це перший електричний детектор частинок. До того були лише фотографії. За нього чувак отримав Нобелівську премію
Ця вся штука обвішена платками з детекторами
Мені страшно навіть уявити як схарився той хто це все збирав
Частинки розганяються десь за 45 хв до 99% швидкості світла. А потім десять годин літають по колайдеру стикаючись в детекторі. Пучок у місці зіткнення фокусують до товщини 15 мікрон. Але навіть так більшість протонів пролітає один повз одного. Вони ж мацьопусінькі! Тому експеримент і триває так довго щоб назбирати достатню кількість зіткнень.
Чому колайдер під землею і чому саме в Швейцарії? По перше, земля добре екранує випромінювання самого колайдера і захищає його чутливі детектори від космічних частинок. По друге, в разі розгерметизації стається вибух, весь цей гелій закипає і виходить назовні. Ну і по третє, згідно Євтопейських законів все що під землею належить державі. Нічого не потрібно було викуповувати в населення. Ну а Швейцарія була вибрана як країна по центру Європи куди всім зручно та приємно добиратися. А також за її знамениті тунелі які вони так добре вміють прокладати.
Крім Атласу на тій же трубі сидять ще три детектори, чи як вони кажуть «експерименти». На жаль, поки колайдер діючий, спуск вниз людям заборонений. На це є купа причин: частинки шо несуться з такою швидкістю випромінюють різні поля. Надодачу там сильне магнітне поле що може вплинути на організм. А у випадку розгерметизації трубопроводу ми всі задихнемося. Навіть якшо з собою мати балони то дихати прийдеться -40С повітрям. Кажуть що колайдер скоро планують зупиняти. Тоді буде квота на кілька тисяч людей щоб побувати під землею.
Ок. Виходимо надвір. Тут якийсь самогонний апарат, теж кажуть що вмів непогано розганяти частинки по тілу
Ні, це не Пепелац а генератор елементарних частинок
Всередині Пепелаца
Цей поршень заходив в Пепелац, стискав газ і провокував появу гових частинок
Помножувач на 500кВ постійного струму. Катушка Тесли дає змінний.
Жовте то діоди. Біле це конденсатори. Зараз це стало класичною схемою і стояло у всіх кінескопних телевізорах
Ну і Церн це не тільки колайдер. Це ще потужнє наукове містечко в якому проводиться багато цікавих дослідів. Не для всіх них потрібні наденергії. Деколи достатньо просто розігнати частинки напругою 500kV. Деяке їх устаткування було виставлено в музеї поруч. Мені особливо сподобався Пепелац. В ньому був рідкий газ. Коли знизу в нього вставляли поршень, то генерувалося багато нових та цікавих частинок.
Зараз вони аналізують можливість побудови ще більшого колайдера довжиною 100 кілометрів. Ну щоб вже точно створити чорну дірку яка засмокче всю Землю. 🙂 Будівництво планують розпочати в 2030-х роках. А до того часу розроблятимуть технології що дозволять його здійснити. Як ото надпровідні магніти що не потребують рідкого гелію. А потім ці технології перевикористовуватимуть комерційні компанії по всьому світу.
Будучи в Женеві рекомендую всім відвідати Церн. Заодно і побувати одною ногою у Франції. В Церні є два відкриті музеї. Якшо постаратися, то можна ще примазатися до якоїсь групи та послухати екскурсовода. Що я і зробив. 🙂
