El Gran Colisionador de Hadrones

Gran Colisionador de Hadrones

Fragmento del LHC, sector 3-4
Tipo de sincrotrón
Objetivo Colisionador
País Suiza / Francia
Laboratorio CERN
años de trabajo 2008-
Experimentos
Especificaciones técnicas
Partículas p×p, Pb 82+ ×Pb 82+
Energía 6,5 TeV
perímetro/longitud 26.659 m
emitancias 0,3nm
Luminosidad 2•10 34 cm −2 s −1
otra información
Coordenadas geográficas 46°14′ N. sh. 6°03′ E Ej.
Sitio web home.cern/topics/large-h…
public.web.cern.ch/publi…
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El Gran Colisionador de Hadrones , abreviado LHC ( Large Hadron Collider , abreviado LHC ) es un acelerador de partículas en colisión diseñado para acelerar protones e iones pesados ​​(iones de plomo ) y estudiar los productos de sus colisiones. El colisionador fue construido en el CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear), ubicado cerca de Ginebra , en la frontera de Suiza y Francia . El LHC es la instalación experimental más grande del mundo. Más de 10.000 científicos e ingenieros de más de 100 países [1] , incluidos 12 institutos y 2 centros nucleares federales ( VNIITF , VNIYaF), han participado y están participando en la construcción y la investigación.  

"Grande" se llama así por su tamaño: la longitud del anillo principal del acelerador es de 26.659 m [2] ; "Hadrónico" - por el hecho de que acelera hadrones : protones y núcleos pesados ​​de átomos ; " collider " ( inglés  colisionador  - colisionador ) - debido al hecho de que dos haces de partículas aceleradas chocan en direcciones opuestas en lugares especiales de colisión - dentro de los detectores de partículas elementales [3] .

Tareas

La tarea principal del Gran Colisionador de Hadrones es detectar de forma fiable al menos algunas desviaciones del Modelo Estándar [4]  , un conjunto de teorías que conforman la comprensión moderna de las partículas e interacciones fundamentales. A pesar de sus ventajas, también tiene dificultades: no describe la interacción gravitatoria , no explica la existencia de materia oscura y energía oscura . El colisionador debería ayudar a responder preguntas no resueltas dentro del marco del Modelo Estándar [5] .

La búsqueda de nueva física y la prueba de teorías exóticas

El modelo estándar no proporciona una descripción unificada de todas las interacciones fundamentales y, según los teóricos, debería ser parte de una teoría más profunda de la estructura del micromundo, que es visible en los experimentos del colisionador a energías por debajo de 1 TeV . La tarea principal del Gran Colisionador de Hadrones, donde se encuentran disponibles energías más altas, es obtener al menos los primeros indicios de lo que es esta teoría más profunda. Se ha desarrollado un gran número de candidatos para tal teoría - se les llama " Nueva Física " [6] . También se habla de "modelos exóticos": numerosas ideas inusuales sobre la estructura del mundo que se han presentado en los últimos años. Estas incluyen teorías con fuerte gravedad en una escala de energía del orden de 1 TeV, las llamadas Gran Teorías Unificadas , modelos con un gran número de dimensiones espaciales [aprox. 1] , modelos de preones , en los que los propios quarks y leptones consisten en partículas, modelos con nuevos tipos de interacciones y nuevas partículas. Todos ellos no contradicen los datos experimentales disponibles, pero en gran parte debido a las limitaciones de estos últimos. Se espera que los resultados obtenidos en el LHC ayuden a confirmar o refutar las predicciones de diversas teorías [6] [7] .

Búsqueda de supersimetría

Una de las formas de combinar las leyes de todas las interacciones fundamentales en el marco de una sola teoría es la hipótesis de la “ supersimetría ”, que supone la existencia de un compañero más pesado para cada partícula elemental conocida [5] . Las teorías que se basan en ella son las más populares en el campo de la "Nueva Física" (en particular, las partículas supersimétricas se consideran candidatas al papel de hipotéticas partículas de materia oscura [5] ), y la búsqueda de su confirmación experimental es una de ellas. de las principales tareas del LHC [6] [ 7] .

Estudio del mecanismo de Higgs de ruptura de simetría electrodébil

Un punto importante en el camino hacia una teoría más completa que el Modelo Estándar es el estudio del mecanismo de Higgs de ruptura de simetría de la interacción electrodébil . A su vez, se explora más convenientemente a través del descubrimiento y estudio del bosón de Higgs [7] . Es un cuanto del llamado campo de Higgs , a través del cual las partículas adquieren su masa [5] [8] . La existencia del bosón de Higgs fue predicha en 1964 , y su búsqueda se convirtió en uno de los principales objetivos del proyecto LHC. Tras el esperado anuncio del descubrimiento de esta partícula en 2012, el programa científico del LHC asume numerosas tareas para un estudio exhaustivo de sus propiedades [5] [7] .

Estudiando los quarks top

El quark top es el quark  más pesado y, en general, la partícula elemental más pesada descubierta hasta ahora . Debido a su gran masa (y, como resultado, la energía requerida para su nacimiento) antes del Gran Colisionador de Hadrones, se obtuvo solo en un acelerador: el Tevatron [9] , según los últimos resultados (2016) de los cuales [ 10] , la masa top-quark es 174,30 ± 0,65 GeV / c² . El hecho de que sea mucho más grande que para todos los demás quarks indica el probable papel importante de los quarks top en el mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil. Además, los top quarks también sirven como una herramienta de trabajo conveniente para estudiar el bosón de Higgs, uno de cuyos canales de producción más importantes es la producción asociativa junto con un par top quark-antiquark, y para separar de manera confiable tales eventos del fondo. , también es necesario prestar atención cuidadosa al estudio de las propiedades de los propios quarks top [7] [9] .

Estudio del plasma de quarks-gluones

Además de las colisiones protón-protón, el programa de trabajo del Gran Colisionador de Hadrones también implica (durante aproximadamente un mes al año) colisiones de iones pesados. Cuando dos núcleos ultrarrelativistas chocan, se forma un bulto denso y muy caliente de materia nuclear y luego se desintegra: plasma de quarks-gluones . Comprender los fenómenos que ocurren durante la transición a este estado, en el que se encontraba la materia en el Universo primitivo, y su posterior enfriamiento, cuando los quarks se unen , es necesario para construir una teoría más avanzada de las interacciones fuertes, útil tanto para la física nuclear como para la física. astrofísica [5] [7] .

Estudio de colisiones fotón-hadrón y fotón-fotón

El protón , al estar cargado eléctricamente, está rodeado por un campo electrostático, que puede considerarse como una nube de fotones virtuales . Un protón ultrarrelativista genera una corriente de fotones casi reales que vuelan junto a él, que se vuelve aún más fuerte en el modo de las colisiones nucleares. Estos fotones pueden chocar con un protón que se aproxima, dando lugar a colisiones típicas de fotones y hadrones, o incluso entre sí [7] . Así, al estudiar la colisión de protones, también se estudia indirectamente la interacción de la materia con los fotones de alta energía, que es de gran interés para la física teórica [11] .

Investigación de antimateria

La antimateria debería haberse formado en el momento del Big Bang en la misma cantidad que la materia, pero ahora no se observa en el Universo; este efecto se denomina asimetría bariónica del Universo . Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones pueden ayudar a explicarlo [5] .

Especificaciones

Construcción

El acelerador está ubicado en el mismo túnel que antes ocupaba el Gran Colisionador de Electrones y Positrones . El túnel con una circunferencia de 26,7 km se colocó bajo tierra en Francia y Suiza . La ubicación subterránea está dictada por costos de construcción más bajos, minimizando el impacto de los elementos del paisaje en los experimentos y mejorando la protección contra la radiación. La profundidad del túnel es de 50 a 175 metros, y el anillo del túnel tiene una inclinación de alrededor del 1,4 % en relación con la superficie terrestre, lo que también se hizo principalmente por razones económicas [5] .

El anillo de aceleración consta de 8 arcos (los llamados sectores) y se inserta entre ellos: secciones rectas, en cuyos extremos hay zonas de transición. Un área de trabajo única se llama octante: el área entre los puntos medios de los arcos adyacentes con una inserción en el centro; el anillo contiene así 8 octantes. Consiste en un tubo de vacío estrecho, cuyo movimiento de partículas está controlado por dispositivos electromagnéticos: imanes giratorios y de enfoque, resonadores aceleradores [5] .

Sistema magnético

En los sectores (154 en cada sector, 1232 en total) se instalan imanes dipolares giratorios , debido a cuyo campo los haces de protones giran constantemente, permaneciendo dentro del anillo acelerador [12] . Estos imanes son una bobina de cable que contiene hasta 36 hilos de 15 mm de espesor, cada uno de los cuales, a su vez, consta de un número muy grande (6000-9000) de fibras individuales con un diámetro de 7 micras. La longitud total de los cables es de 7.600 km, los núcleos individuales son de 270.000 km. Los cables están hechos de niobio-titanio superconductor de baja temperatura y están clasificados para funcionar a una temperatura de 1,9 K (−271,3 °C) mantenidos con helio superfluido . Cada cable puede soportar hasta 11,85 kiloamperios de corriente y crear un campo magnético con una inducción de 8,33 Tesla , perpendicular al plano del anillo - para ello, el bobinado se realiza a lo largo, y no alrededor, del tubo de vacío del acelerador . La energía total almacenada en un imán es de aproximadamente 10 MJ. Cada imán dipolar tiene 15 metros de largo y pesa unas 35 toneladas [5] [13] .

Los imanes de enfoque especiales (un total de 392 imanes cuadripolares ) restringen las oscilaciones transversales de los protones, evitando que toquen las paredes de un tubo de vacío estrecho (5 cm de diámetro) [5] [12] [14] . Especialmente importante es el enfoque de los haces frente a los puntos de colisión - hasta varias centésimas de milímetro - porque esto asegura la alta luminosidad colisionador [5] [13] [14] . Los imanes cuadripolares, a diferencia de una lente óptica convencional, pueden enfocar un haz en el plano vertical, desenfocándolo en el plano horizontal, o viceversa, por lo que se requiere una combinación de varios imanes cuadripolares con diferentes acciones para enfocar el haz en ambas direcciones. Estos imanes, de más de tres metros de largo, crean una caída de campo magnético de 223 Tesla/metro dentro del tubo de vacío [13] .

Finalmente, en el sitio de inyección de protones en el anillo LHC (2 y 8 octas), así como en el punto de caída del haz (6 octas ), hay imanes especiales: pateadores y tabiques ( eng  . septa ). Durante el funcionamiento normal del LHC, se apagan y se encienden solo en el momento en que el siguiente grupo de protones se lanza al colisionador desde el acelerador preliminar o cuando el haz se retira del acelerador. La característica principal de estos imanes es que se encienden en unos 3 microsegundos, mucho menos que el tiempo necesario para una rotación completa del haz en el LHC. Por ejemplo, si el sistema de seguimiento del haz detecta que está fuera de control, estos imanes se encienden en el octante 6 y retiran rápidamente el haz del acelerador [13] .  

Aceleración de partículas en el colisionador

El acelerador fue diseñado para colisiones de protones con una energía total de 14 TeV en el sistema de centro de masa de las partículas incidentes, así como para colisiones de núcleos de plomo con una energía de 1150 TeV o 10 TeV por cada par de nucleones en colisión. . La aceleración de partículas a energías tan altas se logra en varias etapas [5] [12] [15] :

  • Los protones se extraen del hidrógeno gaseoso mediante ionización . Los átomos de plomo también se ionizan, con la ayuda de una corriente eléctrica, estando en estado de vapor, calentándose a 800 ° C; en este caso, se forman varios estados de carga, pero sobre todo iones Pb 29+ , que se seleccionan para una mayor aceleración.
  • Acelerador lineal de baja energía Linac 2 [aprox. 2] acelera protones a una energía de 50 MeV, lo que corresponde a una velocidad de 0,314 c . Los iones de plomo primero son acelerados por otro acelerador lineal, Linac 3, hasta 4,2 MeV/nucleón, luego, cuando pasan a través de la lámina de carbono, se ionizan aún más al estado Pb 54+ .
  • Se inyectan protones, agrupados en racimos [aprox. 3] , en el propulsor de sincrotrón de protones (PS) , donde adquieren una energía de 1,4 GeV (0,916 s). Para el haz de Pb 54+ , la siguiente etapa de aceleración antes de llegar a PS, hasta 72 MeV/nucleón, se realiza en el anillo de iones de baja energía .
  • En el propio PS, la energía de los protones se eleva hasta 25 GeV (correspondientes a 0,9993 s) y la de los iones de plomo, hasta 5,9 GeV/nucleon.
  • La aceleración de partículas continúa en el acelerador de anillo SPS (Proton Super Synchrotron), donde cada una de las partículas del grupo de protones adquiere una energía de 450 GeV (0,999998 s). El haz de iones, por otro lado, habiendo atravesado la segunda lámina y estando completamente ionizado al estado Pb 29+ , es acelerado en el SPS hasta 177 GeV/nucleon.
  • Luego, el haz de protones o iones se transfiere al anillo principal de 26,7 kilómetros, tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido opuesto. La energía del protón alcanza un máximo de 7 TeV (0,999999991 s) en 20 minutos; esta aceleración se produce durante el vuelo de los protones a través de varios resonadores instalados en 4 octantes. Los iones se aceleran en el anillo principal a 2,56 TeV/nucleon.

Además, los rayos pueden circular en el anillo principal del LHC en el modo normal durante horas, los racimos en ellos están ubicados en posiciones constantes entre sí. Dos haces de protones en colisión en pleno llenado pueden contener 2808 grupos cada uno, a su vez, en cada grupo: 100 mil millones de protones [5] [14] . Los racimos recorren una vuelta completa del acelerador en menos de 0,0001 seg, dando así más de 10 mil revoluciones por segundo [12] . En el proceso de aceleración, los protones experimentan sobrecargas ~10 20 g [17] . Cada grupo de iones contiene 70 millones de núcleos de plomo, y su número máximo en el anillo principal es de 700 [15] . En un momento dado de tiempo, los haces colisionantes se desvían para que colisionen en uno u otro punto del anillo, de manera que se encuentre dentro del detector deseado que registra las partículas formadas como resultado de las colisiones [5] [ 14] . Para evitar las consecuencias negativas de la desviación de partículas en el plano transversal de la trayectoria ideal, el halo de haz formado en este caso se corta mecánicamente utilizando colimadores; estos sistemas de limpieza de haz se instalan en los octantes 3 y 7. En el octante 6 hay un haz sistema de eyección: contiene imanes rápidos que, cuando es necesario, se encienden durante un tiempo muy corto (del orden de varios microsegundos) y desvían ligeramente el haz, como resultado de lo cual los protones abandonan la órbita circular, luego el haz se desenfoca, sale del acelerador a través de un canal especial y es absorbido de forma segura por bloques masivos de compuestos de carbono en una habitación separada. El reinicio del haz es necesario tanto en caso de emergencia (una falla en el sistema magnético de control o una desviación demasiado fuerte de la trayectoria del haz con respecto a la calculada) como en el modo normal cada pocas decenas de horas durante el funcionamiento normal del acelerador, cuando el haz debilita [12] .

Detectores

El LHC tiene 4 detectores principales y 3 auxiliares:

  • ALICE (Un gran experimento de colisionador de iones)
  • ATLAS (un aparato LHC toroidal)
  • CMS (solenoide de muón compacto)
  • LHCb (Experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones)
  • TOTEM (Medición TOTAL de secciones transversales elásticas y difractivas)
  • LHCf (El Gran Colisionador de Hadrones adelante)
  • MoEDAL (Monopole and Exotics Detector en el LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb son grandes detectores ubicados alrededor de los puntos de colisión de haces. Los detectores TOTEM y LHCf son auxiliares, situados a una distancia de varias decenas de metros de los puntos de intersección de los haces ocupados por los detectores CMS y ATLAS, respectivamente, y se utilizarán junto con los principales.

Los detectores ATLAS y CMS son detectores de propósito general diseñados para buscar el bosón de Higgs y la "física no estándar", en particular la materia oscura , ALICE - para estudiar el plasma de quarks y gluones en colisiones de iones de plomo pesado, LHCb - para estudiar la física de b -quarks , que permitirán comprender mejor las diferencias entre materia y antimateria , TOTEM está diseñado para estudiar la dispersión de partículas en ángulos pequeños, como los que se producen durante tramos estrechos sin colisiones (las llamadas partículas no colisionantes , partículas delanteras), que le permite medir con mayor precisión el tamaño de los protones, así como controlar la luminosidad del colisionador, y, finalmente, LHCf - para el estudio de los rayos cósmicos , modelado utilizando las mismas partículas que no colisionan [18 ] .

El trabajo del LHC también está asociado con el séptimo detector (experimento) MoEDAL [19] , que es bastante insignificante en términos de presupuesto y complejidad , diseñado para buscar partículas pesadas que se mueven lentamente.

Durante el funcionamiento del colisionador, las colisiones se realizan simultáneamente en los cuatro puntos de intersección de los haces, independientemente del tipo de partículas aceleradas (protones o núcleos). Al mismo tiempo, todos los detectores recopilan estadísticas simultáneamente.

Consumo de energía

Durante la operación del colisionador, el consumo de energía estimado será de 180 MW . El consumo energético estimado de todo el CERN para 2009, teniendo en cuenta el colisionador operativo, es de 1000 GW·h, de los cuales 700 GW·h corresponderán al acelerador. Estos costos de energía representan alrededor del 10% del consumo total anual de energía del Cantón de Ginebra . El CERN en sí mismo no produce energía, solo cuenta con generadores diesel de respaldo .

Problemas de seguridad

Una gran parte de la atención de los miembros del público y los medios está asociada con la discusión de los desastres que pueden ocurrir en relación con el funcionamiento del LHC. El peligro más discutido es la aparición de agujeros negros microscópicos , seguidos de una reacción en cadena de captura de la materia circundante, así como la amenaza de la aparición de strapels , hipotéticamente capaces de convertir toda la materia del Universo en strapels [20]. ] .

Construcción y operación

Construcción

La idea del proyecto del Gran Colisionador de Hadrones nació en 1984 y se aprobó oficialmente diez años después. Su construcción se inició en 2001 , tras la finalización de los trabajos del anterior acelerador, el Gran Colisionador de Electrones y Positrones [21] .

Líder del proyecto: Lyndon Evans .

El 19 de noviembre de 2006 finalizó la construcción de una línea criogénica especial para el enfriamiento de imanes [21] .

El 27 de noviembre de 2006 se instaló el último imán superconductor en el túnel [21] .

Pruebas y funcionamiento

2008 Lanzar. Accidente

A mediados de septiembre de 2008, se completó con éxito la primera parte de las pruebas preliminares [22] . El equipo del LHC logró lanzar y mantener continuamente el haz circulante. [23] Los haces de protones lanzados atravesaron con éxito todo el perímetro del colisionador en sentido horario y antihorario [24] . Esto permitió anunciar el lanzamiento oficial del colisionador el 10 de septiembre . [25] [26] Sin embargo, menos de 2 semanas después, durante las pruebas del sistema magnético el 19 de septiembre, ocurrió un accidente - una extinción , como resultado de lo cual falló el LHC [27] . Uno de los contactos eléctricos entre los imanes superconductores se fundió bajo la influencia de un arco eléctrico que surgió debido a un aumento en la intensidad de la corriente, que perforó el aislamiento del sistema de enfriamiento de helio (sistema criogénico), lo que provocó la deformación de las estructuras, contaminación de la superficie interior del tubo de vacío con partículas de metal, y también la liberación de alrededor de 6 toneladas de helio líquido en el túnel. Este accidente obligó a cerrar el colisionador por reparaciones, lo que llevó el resto de 2008 y la mayor parte de 2009.

2009-2014. Operación de Energía Reducida (Run1)

En 2009-2013, el colisionador operó con energía reducida. En un principio, las colisiones protón-protón se llevaron a cabo con una energía muy modesta de 1180 GeV por haz según los estándares del LHC [28] , lo que, sin embargo, permitió al LHC batir el récord anterior, que pertenecía al acelerador Tevatron . Poco después, la energía del haz se elevó a 3,5 TeV [29] y luego, en 2012, la energía del haz alcanzó los 4 TeV [30] . Además del récord de energía de protones en haces, en el camino, el LHC estableció un récord mundial de luminosidad máxima para colisionadores de hadrones: 4,67⋅10 32 cm −2 ·seg −1 ; el récord anterior también se estableció en el Tevatron [31] . El resultado científico más famoso del trabajo del colisionador durante este período fue el descubrimiento del bosón de Higgs [32] [33] [34] .

Las etapas de recopilación de estadísticas en las colisiones protón-protón se alternaron con períodos de colisión de iones pesados ​​(iones de plomo ) [35] [36] . El colisionador también realizó colisiones de protones e iones [37] .

Casi todo el período 2013-2014 se dedicó a la modernización del colisionador, durante el cual no se produjeron colisiones.

2015-2018 (Run2)

En 2015, los protones se aceleraron a 6,5 ​​TeV y la recopilación de datos científicos comenzó con una energía de colisión total de 13 TeV. Con descansos anuales para el invierno, se recopilan las estadísticas de colisiones protón-protón. Es costumbre dedicar el fin de año a la física de iones pesados. Así, en noviembre y principios de diciembre de 2016 se produjeron colisiones de protones con núcleos de plomo durante aproximadamente un mes [38] . En el otoño de 2017, se llevó a cabo una sesión de prueba de colisiones de xenón [39] y, a finales de 2018, se realizaron colisiones de núcleos de plomo durante un mes [40] .

Planes de desarrollo

Hasta 2018, el LHC recogerá estadísticas a una energía de 13-14 TeV, el plan para acumular una luminosidad integral de 150 fb- 1 . A esto le sigue una parada de 2 años para actualizar la cascada de preaceleradores con el fin de aumentar la intensidad del haz disponible, principalmente SPS , así como la primera fase de actualización de los detectores, que duplicarán la luminosidad del colisionador. . Desde principios de 2021 hasta finales de 2023, se recopilan estadísticas a una energía de 14 TeV con un volumen de 300 fb −1 , después de lo cual está previsto detenerse durante 2,5 años para una modernización significativa tanto del acelerador como de los detectores. (el proyecto HL-LHC  - High Luminocity LHC [41 ] [42] ). Se supone que aumenta la luminosidad entre 5 y 7 veces más, debido a un aumento en la intensidad de los rayos y un aumento significativo en el enfoque en el punto de encuentro. Después del lanzamiento de HL-LHC en 2026, el aumento de la luminosidad durará varios años, el objetivo declarado es 3000 fb −1 .

También se discute la posibilidad de realizar colisiones de protones y electrones ( proyecto LHeC ) [43] . Para hacer esto, debe adjuntar una línea de aceleración de electrones. Se están discutiendo dos opciones: la adición de un acelerador de electrones lineal y la colocación de un acelerador de anillo en el mismo túnel que el LHC. El análogo realizado más cercano de LHeC es el colisionador de electrones y protones alemán HERA . Se observa que, a diferencia de las colisiones protón-protón, la dispersión de un electrón por un protón es un proceso muy "puro", lo que permite estudiar la estructura del partón de un protón con mucho más cuidado y precisión.

Se cree que, teniendo en cuenta todas las actualizaciones, el LHC funcionará hasta 2034, pero ya en 2014, el CERN decidió trabajar en opciones para un mayor desarrollo en el campo de la física de alta energía. Se ha iniciado un estudio sobre la posibilidad de construir un colisionador con un perímetro de hasta 100 km [44] [45] . El proyecto se llama FCC (Future Circular Collider), combina la creación secuencial de una máquina electrón-positrón (FCC-ee) con una energía de 45-175 GeV en un haz para estudiar los bosones Z-, W-, Higgs y el quark t, y luego, en el mismo túnel, el Colisionador de Hadrones (FCC-hh) para energías de hasta 100 TeV [46] .

Computación distribuida

Para administrar, almacenar y procesar los datos que provendrán del acelerador y los detectores del LHC, se está creando una red de computación distribuida LCG ( inglés  LHC Computing GRID ) utilizando tecnología grid . Para determinadas tareas computacionales (cálculo y corrección de parámetros magnéticos mediante la simulación del movimiento de protones en un campo magnético), interviene el proyecto de computación distribuida LHC@home . También se consideró la posibilidad de utilizar el proyecto LHC@home para el procesamiento de los datos experimentales obtenidos, sin embargo, las principales dificultades están asociadas a la gran cantidad de información necesaria para ser transferida a ordenadores remotos (cientos de gigabytes). Como parte del proyecto de computación distribuida LHC@Home 2.0 (Test4Theory), se simulan colisiones de haces de protones para comparar el modelo obtenido y los datos experimentales.

Resultados científicos

Debido a la mayor energía en comparación con los colisionadores anteriores, el LHC hizo posible "mirar" en la región de energía previamente inaccesible y obtener resultados científicos que imponen restricciones en una serie de modelos teóricos.

Una breve lista de resultados científicos obtenidos en el colisionador [48] :

  • se descubrió el bosón de Higgs , su masa se determinó en 125,09 ± 0,21 GeV [33] [34] [32] ;
  • a energías de hasta 8 TeV , se han estudiado las principales características estadísticas de las colisiones de protones : el número de hadrones producidos , su distribución de velocidades, las correlaciones de Bose-Einstein de los mesones , las correlaciones angulares de largo alcance y la probabilidad de parada del protón;
  • se demostró la ausencia de asimetría de protones y antiprotones [49] ;
  • se encontraron correlaciones inusuales para protones emitidos en direcciones esencialmente diferentes [50] ;
  • se obtuvieron restricciones sobre las posibles interacciones de contacto de los quarks [51] ;
  • más convincentes, en comparación con experimentos anteriores [52] , se obtuvieron indicaciones de la aparición de plasma de quarks-gluones en colisiones nucleares [53] ;
  • se estudiaron los eventos del nacimiento de chorros de hadrones ;
  • se confirmó la existencia de un quark top , previamente observado sólo en el Tevatron ;
  • se han descubierto dos nuevos canales para el decaimiento de los mesones B s [54] [55] , se han obtenido estimaciones de las probabilidades de decaimiento superraro de los mesones B y B s en pares muón-antimuón [56] [57] ;
  • se descubrieron nuevas partículas predichas teóricamente [58] , [59] y [ 60 ] ;
  • se obtuvieron los primeros datos sobre colisiones protón-ion sin precedentes [37] , se descubrieron correlaciones angulares observadas previamente en colisiones protón-protón [61] [62] ;
  • anunció la observación de la partícula Y(4140) , previamente observada solo en el Tevatron en 2009 [63] .

Además, se intentaron detectar los siguientes objetos hipotéticos [64] :

A pesar del resultado fallido de la búsqueda de estos objetos, se obtuvieron restricciones más estrictas sobre la masa mínima posible de cada uno de ellos. A medida que se acumulan las estadísticas, las restricciones sobre la masa mínima de los objetos enumerados se vuelven más estrictas.

Otros resultados
  • Los resultados del experimento LHCf , que operó en las primeras semanas posteriores al lanzamiento del LHC, mostraron que la distribución de energía de los fotones en la región de cero a 3,5 TeV está mal descrita por los programas que simulan este proceso, lo que genera discrepancias entre la energía real y modele los datos de 2 a 3 veces (para la energía fotónica más alta, de 3 a 3,5 TeV, todos los modelos dan predicciones que son casi un orden de magnitud más altas que los datos reales) [70] .
  • El 15 de noviembre de 2012, la colaboración CMS anunció la observación de una partícula Y(4140) con una masa de 4148,2 ± 2,0 (stat) ± 4,6 (sys) MeV/c² (estadísticamente significativa sobre 5σ), observada previamente solo en el Tevatron en 2009 D. Las observaciones se realizaron durante el procesamiento de estadísticas de colisiones de 5,2 fb −1 protones a una energía de 7 TeV. La descomposición observada de esta partícula en un mesón J/ψ y un mesón Phi no se describe en el marco del modelo estándar [63] [71] .
  • El 14 de julio de 2015, la colaboración LHCb anunció el descubrimiento de una clase de partículas conocidas como pentaquarks . [72] [73]

Financiación de proyectos

En 2001, se esperaba que el coste total del proyecto fuera de unos 4600 millones de francos suizos (3000 millones de euros) para el propio acelerador (sin detectores) y de 1100 millones de francos suizos (700 millones de euros) para la participación del CERN en los experimentos (es decir, en la construcción y mantenimiento de detectores) [74] .

La construcción del LHC se aprobó en 1995 con un presupuesto de 2600 millones de francos suizos (1600 millones de euros) y 210 millones de francos suizos adicionales (140 millones de euros) para experimentos (es decir, detectores, recopilación y procesamiento de datos). En 2001, estos costes se incrementaron en 480 millones de francos (300 millones de euros) para el acelerador y 50 millones de francos (30 millones de euros) para los experimentos (costes imputables directamente al CERN), lo que, debido a los recortes presupuestarios del CERN, provocó una cambio en las fechas previstas de introducción de 2005 a abril de 2007 [75] .

El presupuesto del proyecto a partir de noviembre de 2009 fue de $ 6 mil millones para la construcción de la instalación, que tardó siete años en completarse. El acelerador de partículas fue creado bajo la dirección del CERN. Aproximadamente 700 [76] especialistas de Rusia participaron en el proyecto, quienes participaron en el desarrollo de los detectores LHC [77] . El costo total de los pedidos recibidos por las empresas rusas, según algunas estimaciones, alcanzó los 120 millones de dólares [78] .

El costo oficial del proyecto LHC no incluye el costo de infraestructura y desarrollos que existían previamente en el CERN. Así, el equipo principal del LHC se instaló en el túnel del colisionador LEP previamente existente, mientras que el anillo SPS de varios kilómetros se utilizó como acelerador preliminar. Si el LHC tuviera que construirse desde cero, su coste sería mucho mayor.

Reflexión en el arte

  • En el libro del escritor de ciencia ficción Max Ostrogin "The Big Red Button" habla sobre el inicio del apocalipsis después de encender el colisionador a máxima potencia. .
  • Hay un grupo de filk en el CERN , Les Horribles Cernettes , cuya abreviatura es la misma que LHC. La primera canción de este grupo "Collider" estaba dedicada a un chico que se olvidó de su novia, dejándose llevar por la creación de un colisionador [79] .
  • En la cuarta temporada de la serie de televisión de ciencia ficción Lexx , los personajes principales acaban en la Tierra . Se encuentra que la Tierra es un planeta "tipo 13" en la última etapa de desarrollo. Los planetas de tipo 13 siempre se destruyen a sí mismos, como resultado de guerras o de un intento fallido de determinar la masa del bosón de Higgs en un acelerador de partículas superpoderoso.
  • En El Flash.
  • En el sexto episodio de la decimotercera temporada de la serie animada " South Park ", usando un imán del Gran Colisionador de Hadrones, se logró FTL en la competencia Pinewood Derby.
  • En Angels & Demons de Dan Brown , la antimateria del Gran Colisionador de Hadrones fue robada y los ladrones querían volar el Vaticano con ella.
  • En la película de la BBC End of the World, el último de los cuatro escenarios de apocalipsis más probables fue una explosión durante el lanzamiento del último acelerador de partículas, que condujo a la formación de un agujero negro. Pero los expertos invitados argumentan que la "prensa amarilla" infla la probabilidad de una catástrofe, mientras que la probabilidad de un tsunami, la caída de un asteroide o una epidemia mortal es mucho mayor.
  • En el episodio 13 de la temporada 1 de la serie de ciencia ficción Odyssey 5 , los personajes principales terminan en el CERN , donde científicos y empleados locales aseguran que el LHC es completamente seguro, según cálculos preliminares. Sin embargo, como resultó más tarde, una forma de ciberinteligencia pirateó y penetró en la computadora principal del CERN y falsificó los cálculos generales. Habiendo descubierto esto, basándose en nuevos cálculos correctos, los científicos descubren que existe una alta probabilidad de que aparezcan extraños en el colisionador, lo que inevitablemente conducirá al fin del mundo.
  • En la serie de televisión española " El Arca " y su versión rusa " El Barco ", todos los continentes quedaron bajo el agua debido a la explosión del LHC. En una de las series de la serie animada "American Dad", el fin del mundo también puede ocurrir debido al colisionador de hadrones, pero ni una sola tierra se hundirá.
  • La novela visual, el anime y el manga Steins;Gate hizo varias referencias al LHC; El CERN también fue mencionado como el desarrollador de la máquina del tiempo.
  • En la serie animada Futurama , el profesor Farnsworth compra un colisionador de Picay. Al cabo de un rato declara: “el supercolisionador superexplotó (en otros casos, el planeta habría muerto con un “simple clic”)”.
  • El libro de Joe Haldeman " Infinite World " describe, entre otras cosas, el proceso de creación de un acelerador gigante, cuyo lanzamiento debería conducir a una gran explosión que dará lugar a un nuevo universo, mientras destruye el existente.
  • En el juego de computadora Eureka! » uno de los objetivos es devolver el LHC a la Tierra .
  • En 2009, Nikolai Polissky , junto con la artesanía Nikola-Lenivets , realizó una instalación de madera y enredaderas en el espacio central del Museo de Arte Moderno de Luxemburgo MUDAM , a la que denominó el " Gran Colisionador de Hadrones " [80] .
  • El Colisionador de Hadrones se puede construir en Rise of Nations .
  • El LHC fue mencionado en el primer episodio de la quinta temporada de Breaking Bad .
  • En la serie de televisión The Big Bang Theory , los principales físicos mencionan con frecuencia el LHC como un lugar que les gustaría mucho visitar. Además, varios todavía lograron visitar Suiza y verlo.
  • En la simulación urbana Cities: Skylines, el Colisionador de Hadrones aparece como un monumento.
  • En el video musical de la canción Redshift de la banda británica Enter Shikari , el LHC es el creador del agujero negro.
  • El decimocuarto álbum de estudio de la banda estadounidense de metal Megadeth se titula Super Collider y el LHC aparece en la portada del álbum.
Películas científicas populares
  • "BBC: The Big Bang Machine" ( ing.  The Big Bang Machine ) - película de divulgación científica , BBC , 2008.
  • "El Gran Colisionador de Hadrones. The Fellowship of the Ring - película de divulgación científica, Channel 5 , 2010.
  • BBC. Horizon: The  Hunt for the Higgs - A Horizon Special ) - película de divulgación científica, 2012.
  • “Ciencia 2.0. punto de interacción. CERN" - película de divulgación científica, VGTRK , 2012.
  • "Pasión por las partículas / Particle Fever" - documental, 2013.
  • “Ciencia 2.0. Más allá de. Colisionador - documental, 2017.
  • Google Street View en septiembre de 2013 recibió imágenes panorámicas del colisionador [81] .

Véase también

Notas

notas
  1. ↑ En este caso, una serie de efectos que están ausentes en el Modelo Estándar deben esperarse en el LHC, por ejemplo, el nacimiento de gravitones que se alejarán de nuestro mundo hacia dimensiones adicionales y agujeros negros microscópicos que se evaporarán inmediatamente con el emisión de muchas partículas ordinarias [6] .
  2. ↑ En el futuro, se planea reemplazarlo con Linac 4 [16] .
  3. ↑ El haz de protones no es un "haz" continuo homogéneo, sino que se divide en grupos separados de protones que vuelan uno tras otro a una distancia estrictamente definida. Cada coágulo tiene una longitud de varias decenas de centímetros y un grosor de fracciones de milímetro. Esto se hace principalmente por razones de conveniencia de aceleración de protones en resonadores [14] .
notas al pie
  1. ↑ Roger Highfield. Gran Colisionador de Hadrones: Trece maneras de cambiar el mundo . Telégrafo (16 de septiembre de 2008). Fecha de acceso: 13 de enero de 2016.
  2. ↑ La guía definitiva del LHC  (inglés) Pág. 30.
  3. ↑ LHC: hechos clave . Elementos.ru . Consultado el 28 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
  4. ↑ Misterios del Gran Colisionador de Hadrones: enero de 2016 . Elementos.ru .
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 LHC - la guía -  faq . CERN (febrero de 2017). Fecha de acceso: 14 de junio de 2020.
  6. ↑ 1 2 3 4 Más allá del modelo estándar .
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Desafíos que enfrenta el LHC . Elementos.ru . Consultado el 28 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
  8. ↑ Mecanismo de Higgs de ruptura de simetría electrodébil . Elementos.ru . Consultado el 28 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
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  17. ↑ https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0104030.pdf
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  21. ↑ 1 2 3 LHC: una cronología de creación y operación .
  22. ↑ Prueba de sincronización  LHC exitosa
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  29. ↑ Se produjeron colisiones de protones a una energía récord de 7 TeV en el LHC . RIA Novosti (30 de marzo de 2010). Consultado el 13 de agosto de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
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  32. ↑ 1 2 Elements - noticias científicas: descubrimiento del bosón de Higgs anunciado en el CERN .
  33. ↑ 1 2 experimentos del CERN observan partículas consistentes con el bosón de Higgs largamente buscado .
  34. ↑ 1 2 Explorando el bosón de Higgs .
  35. ↑ El trabajo con haces de protones finaliza en 2010 . Elements.ru (1 de noviembre de 2011). Consultado el 28 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
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  50. ↑ El detector CMS detecta correlaciones de partículas inusuales . Elementos.ru . Consultado el 28 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
  51. ↑ El detector CMS mejoró la restricción de ATLAS sobre la existencia de interacciones de contacto . Elementos.ru . Consultado el 28 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
  52. ↑ Anteriormente se llevaron a cabo estudios similares en el colisionador RHIC y, a veces, en colisiones en el RHIC era posible obtener señales indirectas de la aparición de plasma de quarks y gluones , pero los resultados de los experimentos del LHC parecen mucho más convincentes.
  53. ↑ El detector ATLAS detectó un desequilibrio de jets en colisiones nucleares . Elementos.ru . Consultado el 28 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011.
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Literatura

Enlaces

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