Was ist ein Collider?
Wenn man über den Large Hadron Collider (LHC) spricht, fällt einem als Erstes Folgendes ein:
Das von der BAC besetzte Gebiet
Das Gerät beschleunigt Protonen und Bleikerne zuGeschwindigkeiten sind nur wenige Meter pro Sekunde geringer als die Lichtgeschwindigkeit. Mit einer solchen Geschwindigkeit überwindet das Proton diese 27 km 10.000 Mal pro Sekunde. Dann schiebt er sie zusammen – im Inneren des Geräts drehen sich die Teilchen sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn. An vier Punkten kreuzen und kollidieren diese Strahlen, eine enorme Temperatur wird erreicht, und wir untersuchen, wie sich das Universum in den ersten Minuten nach dem Urknall verhalten hat.
Eine weitere interessante Tatsache über den LHC – dortDie höchste Temperatur in der Geschichte der Menschheit wurde gemessen. Das sind etwa 40 Milliarden Grad Celsius. Es ist diese Temperatur, die im Moment der Kollision von Teilchen mit enormer Energie erreicht wird. Und wenn wir bedenken, wie sich das Universum entwickelt hat, entspricht dies den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall.
Gleichzeitig hat der Collider die niedrigsteTemperatur im Universum. Beispielsweise wurden in der Antarktis Temperaturen von -95 °C und im Weltraum von -270 °C gemessen. Und die Temperatur von flüssigem Helium im Hadron Collider beträgt -273,3 °C. Es wird benötigt, damit sich die Magnete, aus denen der 27 Kilometer lange Ring besteht, in einem supraleitenden Zustand befinden. Damit Sie eine riesige Menge Strom durchlassen können, aber alles funktioniert hat und nicht überhitzt hat.
Wie viel Strom verbraucht der Collider?
CERN verbraucht so viel Energie wie der gesamte Kanton Genf und hat rund 50'000 Einwohner. Rund 15.000 Ingenieure und Wissenschaftler aus aller Welt arbeiteten am Large Hadron Collider.
Dies ist das teuerste BodenexperimentMenschheit. Es wird nur von der um ein Vielfaches teureren ISS überholt, aber die Kosten dieses Projekts erklären sich aus der Tatsache, dass die Lieferung in den Weltraum sehr teuer ist. Im Vergleich zu gewöhnlichen Dingen war es für die Kosten eines Colliders möglich, 20 Samara-Arenen oder 6 Gazprom-Arenen zu bauen. Gleichzeitig ist der Collider eine funktionierende Sache, sodass die Kosten während des Betriebs steigen.
Wenn solche Beispiele auch schwer nachzuvollziehen sind, dannHier ist ein weiteres Beispiel. Wenn die Kosten des Hadron Colliders durch den Preis von Rollton im Jahr 2016 geteilt werden, können aus dieser Anzahl von Paketen 13 Türme gebaut werden, die den Mond erreichen.
Warum ist das nötig?
Um die Bedeutung des Hadron Colliders zu erklären,Wenden wir uns zunächst dem zu, woraus wir als Materie bestehen und was uns umgibt. All dies besteht aus Atomen, superdichter Materie im Inneren des Atoms und Elektronen. Da ist ein großer Fehler im Bild, wonach wir es gewohnt sind, diese Strukturen in der Schule zu studieren. Es kommt auf den Maßstab an: Stellen Sie sich vor, ein Atomkern hätte die Größe eines Daumennagels. Dann sollte sich das Elektron in einer Entfernung von 100 km davon drehen. Das heißt, wir sind alle leerer Raum.
Aber warum zerfällt das Atom nicht, warum fällt alles ausWas wir sind, zerfällt nicht? Es geht um elektromagnetische Wechselwirkungen: Bei zwei gleichnamigen Ladungen stoßen sie sich ab, bei zwei entgegengesetzten Ladungen ziehen sie sich an. Aber warum? Aus Sicht der modernen Physik werden diese Anziehungen und Abstoßungen durch den Austausch anderer Teilchen erklärt. Deshalb zerfallen wir nicht: Weil die Elektronenhülle und die Atome, die mit anderen Atomen interagieren und Photonen austauschen, miteinander verbunden sind.
Atomstruktur
Ein Atom besteht aus Elektronen und einem Atomkern, dietauschen Photonen aus, sodass sie aneinander gebunden sind. Der Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen. Warum kollabiert der Kern nicht? Denn Protonen sind positiv geladen und stoßen sich ab, während Neutronen ungeladen sind. Das bedeutet, dass sie auch innerhalb des Kerns eine Art Wechselwirkung haben - sie wird als stark bezeichnet. Die starke Kraft ist der Austausch von Gluonen. Das folgende Bild zeigt alle prinzipiell existierenden Interaktionsarten.
Das Eingekreiste ist die Materie, aus der wir stammenIch bin ein Mitglied. Protonen und Neutronen bestehen aus zwei Arten von Quarks. Sie sind durch Helions – blaue Buchstaben – verbunden. Sie bildeten Protonen und Neutronen, dann müssen Elektronen an sie gebunden werden, sie werden mit Hilfe von Photonen gebunden. Und dann sind da noch Neutrino-Teilchen, sogar Milliarden von Teilchen pro Sekunde gehen durch meinen Finger. Um sie einzufangen, werden riesige Elementarteilchendetektoren gebaut. Eine davon befindet sich beispielsweise in Japan – eine riesige, mit Wasser gefüllte Mine, in der Neutrinos einzeln gefangen werden können.
Es gibt andere Arten von Teilchen, die uns nicht umgeben, da sie instabil, kurzlebig und schwerer sind und nicht in leichtere Teilchen zerfallen.
Was ist alles drumherum
Wie funktioniert Energie?
Um die Funktionsweise des LHC zu verstehen, muss man auch wissen wieEnergie funktioniert. Der Lehrplan erklärt, dass ein Körper Energie hat, wenn er arbeiten kann. Ich würde sagen, dass der Körper Energie hat, wenn er etwas tun kann. Wenn ich zum Beispiel einen Gegenstand fallen lasse, kann er beim Fallen auseinanderfallen – das ist Arbeit, die elektromagnetischen Verbindungen sind unterbrochen, er hat potentielle Energie, wenn ich ihn werfe. Wichtig ist auch, dass es ein Energieerhaltungsgesetz gibt – wenn ich einen Gegenstand werfe, gebe ich ihm kinetische Energie, im Maximum verwandelt er sich in potentielle Energie und geht dann zurück.
Wärmeenergie ist auch kinetische Energie.Wenn Sie Ihre Hand reiben, wird sie wärmer, das heißt, kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt, das Molekül beginnt sich schneller zu bewegen und so wird die kinetische Energie wieder zur kinetischen Energie der Moleküle meiner Hand.
Aber dann kam Einstein und mit seiner Hilfeberühmte Formel sagte, dass Masse Energie ist. Dies eröffnete enorme Möglichkeiten, es stellte sich heraus, dass kinetische Energie in Massenenergie destilliert werden kann und umgekehrt. Wenn wir die Teilchen auf enorme Energien beschleunigen und sie kollidieren lassen, kann die gespeicherte kinetische Energie zur Geburt neuer Teilchen werden. So funktioniert der Hadron Collider.
Beschleuniger werden genau aus diesem Grund benötigt:Dort beschleunigen sie Protonenteilchen auf eine kinetische Energie, die zehntausendmal höher ist als ihre Massenenergie, und im Moment der Kollision werden neue Teilchen geboren, die uns nicht umgeben. Daher wird aus Sicht der Physiker der LHC benötigt, um neue Teilchen zu erzeugen. So wurde zum Beispiel das Higgs-Boson entdeckt.
Was macht ein Collider?
Um dort Partikel zu verteilenEs werden Hochfrequenzresonatoren verwendet. In einem 27 Kilometer langen Beschleuniger gibt es an zwei Stellen Resonatoren, das elektrische Feld ändert sich ständig, das Teilchen fliegt vorbei, bekommt einen „Kick“, fliegt weitere 27 km, bekommt dann wieder einen „Kick“ und so weiter. Es fliegt fast mit Lichtgeschwindigkeit, daher findet dieser Vorgang zehntausend Mal pro Sekunde statt. Bereits nach wenigen Minuten Bewegung erhält sie enorme Energie.
Dafür braucht es Magnete, die haltenTeilchen im Kreis. Die Größe des Colliders hängt von den Magneten ab. Wenn wir einen stärkeren Magneten herstellen könnten, wäre das Gerät kleiner. Aber es gibt noch einen weiteren Grund, warum wir Magnete brauchen. Schließlich besteht der Strahl aus Protonen, die sich gegenseitig abstoßen, und die müssen fokussiert werden, damit es zu möglichst vielen Kollisionen kommt.
So funktioniert der hundertfach bekannte LHCTeilchen, um ein neues zu bekommen. Es lebt nur sehr kurze Zeit, zerfällt in Teilchen, die mit Lichtgeschwindigkeit in verschiedene Richtungen zerstreut werden. Aber wie kann man ein neues Teilchen reparieren, wenn es so wenig lebt?
Wie kann man die Öffnung reparieren?
Zur Fixierung brauchen Wissenschaftler ein sehr gutesKamera. In dieser Rolle kommt ein riesiger Teilchendetektor zum Einsatz, der jede Kollision von Protonen und Bleikernen erfasst. Am LHC gibt es vier solcher Detektoren. Einer von ihnen, ALICE, wiegt 10.000 Tonnen, wie der Eiffelturm. Der schwerste Detektor ist CMS, seine Masse beträgt etwa 18.000 Tonnen, und er war es, der das Higgs-Boson entdeckte.
CMS-Detektor
So sieht ein Foto einer Protonenkollision ausLarge Hadron Collider. Jede Linie hier ist eine Spur eines geborenen Teilchens. Dies ist ein echtes Foto, auf der linken Seite können Sie sehen, dass es am 4. Juli 2016 um 16 Uhr 18 Minuten 25 Sekunden aufgenommen wurde. Es gibt bis zu 100 Millionen solcher Kollisionen pro Sekunde.
Wie macht man eine Entdeckung?
Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass es ein neues Teilchen gibt,die in uns bekannte Teilchen zerfällt. Als sie zum Beispiel nach dem Higgs-Boson suchten, gingen Wissenschaftler bereits davon aus, dass es in zwei Photonen zerfallen muss. Das bedeutet, dass der Detektor nicht nur verstehen muss, wo und mit welcher Flugbahn die Teilchen geflogen sind, sondern auch, wie sie waren.
Dadurch werden die Abmessungen des Detektors und dessen Aufbau bestimmt- das ist die sogenannte Matroschka-Struktur. Die ersten Schichten der Detektoren basieren auf Pixeln; in der Technologie ähneln sie den Pixeln, die in Smartphone-Kameras zu finden sind, sie fangen jedoch keine Photonen, sondern Partikel ein. Nehmen wir an, ein geladenes Teilchen fliegt vorbei und die Pixel leuchten auf – dann kann man ihre Flugbahn sehen, und wenn keine Spur vorhanden ist, war das Teilchen ungeladen.
LHC-Struktur
Dann kommt das Kalorimeter, das zerstörtPartikel, nach denen „Schauer“ bleiben, kann ihre Größe verwendet werden, um die Energie des Partikels zu bestimmen. Und entlang der Flugbahn können Sie den Impuls des Protons verstehen, die Kalibratoren können ihre Energie bestimmen, danach können Sie die Masse der Teilchen verstehen.
Wie ist das Higgs-Boson entstanden?
Stellen Sie sich vor, es gibt eine Kollision, bei der nur Photonen geboren werden. Das bedeutet, dass wir sie fangen können und sie in verschiedenen Prozessen erscheinen.
Jetzt nehmen wir das in den gleichen Prozessen ansehr selten wird das Higgs-Boson geboren. Es hat Masse, zerfällt in zwei Photonen, und dabei muss der Impuls- und Energieerhaltungssatz beachtet werden. Wie unterscheiden sich diese beiden Photonen von den Photonen, die in anderen Prozessen auftreten? Erhaltungssätze - Das Higgs-Boson hat eine bestimmte Masse und Impuls. Und wenn wir die sogenannte invariante Masse berechnen, also ihren Gesamtimpuls und ihre Gesamtenergie, können wir die Masse des Bosons berechnen.
Aber es gibt einen riesigen Hintergrund – eine Milliarde riesiger Photonen.Um einige Photonen von anderen zu trennen, gehen wir davon aus, dass sie alle aus Higgs-Bosonen entstanden sind, erhalten eine gleichmäßige Verteilung und betrachten die Inhomogenitäten. Man sieht also, dass es irgendwie etwas mehr Photonenpaare gibt als andere. Das bedeutet, dass dort ein Teilchen geboren wurde, das in Photonen mit bestimmten Eigenschaften zerfällt. So sieht die Entdeckung des Higgs-Bosons aus.
Wie einzigartige Photonen eingefangen werden
Warum sonst brauchen Sie ein BAC?
Es gibt noch viele unbekannte Prozesse im Universum, derenWir verstehen nicht, wie es funktioniert. Zum Beispiel existiert das Universum, und nach modernen Theorien sollte die Menge an Materie und Antimaterie gleich sein. Wenn bei der Kollision von Teilchen am Collider fünf Quarks geboren wurden, dann wurden auch fünf Antiquarks geboren. Aber wenn das auch nach dem Urknall so gewesen wäre, hätte es uns nicht gegeben, das Universum wäre leer gewesen, voller Photonen.
Es gibt noch ein weiteres Ziel – einen Blick in die Vergangenheit des Universums.Die Lichtgeschwindigkeit ist begrenzt und wenn wir durch ein Teleskop schauen, sehen wir Galaxien in der Vergangenheit. Aber die Methode hat eine Grenze – 400.000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum undurchsichtig war. Dorthin kann man nur durch Teilchenbeschleuniger schauen.
Woraus besteht das universum
Wissenschaftler stehen auch vor anderen Herausforderungen, wie zbestimmen die Zusammensetzung der uns umgebenden Universen. Der LHC versucht auch, diese Frage zu beantworten, es gibt eine Antimaterie-Fabrik, in der Wissenschaftler Anti-Atome fallen lassen und beobachten, wie sie fallen, und beobachten, wie die Schwerkraft sie beeinflusst. Oder sie kollidieren mit Teilchen, um zu versuchen, ein Antimaterieteilchen zu erzeugen. Aber dafür müssen Sie den LHC aufrüsten, damit er noch mehr Kollisionen produziert.
Der Bau wird derzeit diskutiertDer 100-Kilometer-Collider am CERN wird die zehnfache Energie eines modernen Colliders haben. Es wird Future Circular Collider heißen, ein kreisförmiger Collider der Zukunft. Es sollte in den 2050er Jahren erscheinen. Das Projektbudget beträgt 20 Milliarden US-Dollar.
Warum brauchen Nicht-Physiker den LHC?
Die meisten dieser Studien haben keinen praktischen NutzenAnwendungen. Aber alles, was dort getan wird, geschieht zum ersten Mal, es handelt sich also um Daten für unerwartete Entdeckungen. In Zukunft könnten sie zu Technologien werden, die wir nutzen – zum Beispiel wurde das Internet vor 30 Jahren am CERN erfunden, wo das erste GIF hochgeladen wurde.
Wegen der Beschleuniger haben sie zum Beispiel die ersten gemachtGRID ist ein Netzwerk aus Rechenleistung auf der ganzen Welt. Es wurde benötigt, um die riesige Datenmenge zu speichern, die der Collider jede Sekunde produziert.
In den frühen 70er Jahren erfand CERN einen Touchscreen. Doch es dauerte noch weitere 40 Jahre, bis das erste iPhone auf den Markt kam und den Alltag revolutionierte.
Der erste Touchscreen und sein Erfinder - Bent Stumpe
Es gibt viele medizinische Technologien, dieursprünglich für Beschleuniger erfunden. Beispielsweise ist die PET ein Verfahren, mit dem beispielsweise Krebstumore erkannt werden. Tatsächlich ist dies ein Detektor für Elementarteilchen, wo sie eine Person setzen, eine kleine Dosis einer radioaktiven Substanz injizieren, Photonen beginnen, aus dem Krebstumor herauszufliegen, was deutlich macht, dass die Person einen Tumor hat. Oder es gibt eine spezielle Technik zur Entfernung von Krebstumoren - die Hadronentherapie. Wo mit Hilfe eines Strahls ein Tumor entfernt wird, der chirurgisch schwer zu erreichen ist.
So dass die Antwort auf diese Frage, warum der LHC benötigt wird,kommt drauf an wen man fragt. Mit seiner Hilfe können Sie herausfinden, wie das Universum funktioniert, ein Politiker wird sagen, dass es zur Entwicklung der Wissenschaft verwendet werden kann, und ein Ökonom - dass er Gewinn machen kann.
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