Hundra meter (eller cirka 328 fot) under jorden, under gränsen mellan Frankrike och Schweiz, det finns en cirkulär maskin som kan avslöja universums hemligheter. Eller, enligt vissa människor, det kan förstöra allt liv på jorden istället. På ett eller annat sätt, det är världens största maskin och den kommer att undersöka universums minsta partiklar. Det är Large Hadron Collider (LHC) .
LHC är en del av ett projekt som leds av Europeiska organisationen för kärnforskning, även känd som CERN. LHC ansluter sig till CERN:s acceleratorkomplex utanför Genève, Schweiz. När den väl är påslagen, LHC kommer att kasta strålar av protoner och joner med en hastighet som närmar sig ljusets hastighet. LHC kommer att få strålarna att kollidera med varandra, och registrera sedan det resulterande evenemang orsakad av kollisionen. Forskare hoppas att dessa händelser kommer att berätta mer om hur universum började och vad det består av.
LHC är den mest ambitiösa och kraftfulla partikelaccelerator som hittills byggts. Tusentals forskare från hundratals länder arbetar tillsammans - och tävlar med varandra - för att göra nya upptäckter. Sex platser längs LHC:s omkrets samlar in data för olika experiment. Några av dessa experiment överlappar varandra, och forskare kommer att försöka vara de första som avslöjar viktig ny information.
Syftet med Large Hadron Collider är att öka vår kunskap om universum. Medan de upptäckter forskare kommer att göra kan leda till praktiska tillämpningar på vägen, det är inte anledningen till att hundratals forskare och ingenjörer byggde LHC. Det är en maskin byggd för att öka vår förståelse. Med tanke på att LHC kostar miljarder dollar och kräver samarbete från många länder, frånvaron av en praktisk tillämpning kan vara överraskande.
Vad hoppas forskare att hitta genom att använda LHC? Fortsätt läsa för att ta reda på det.
Innehåll
I ett försök att förstå vårt universum, inklusive hur det fungerar och dess faktiska struktur, forskare föreslog en teori som kallas standardmodell . Denna teori försöker definiera och förklara de grundläggande partiklarna som gör universum till vad det är. Den kombinerar element från Einsteins relativitetsteorin med kvantteorin . Den behandlar också tre av de fyra grundkrafterna i universum: stark kärnkraft , svag kärnkraft och elektromagnetisk kraft . Det tar inte upp effekterna av allvar , den fjärde grundkraften.
Standardmodellen gör flera förutsägelser om universum, varav många verkar vara sanna enligt olika experiment. Men det finns andra aspekter av modellen som förblir obevisade. En av dem är en teoretisk partikel som kallas Higgs bosonpartikel .
Higgs bosonpartikeln kan svara på frågor om massa. Varför har materia massa? Forskare har identifierat partiklar som inte har någon massa, Till exempel neutriner . Varför ska en typ av partikel ha massa och en annan saknar den? Forskare har föreslagit många idéer för att förklara förekomsten av massa. Den enklaste av dessa är Higgs -mekanismen. Denna teori säger att det kan finnas en partikel och en motsvarande medierande kraft som skulle förklara varför vissa partiklar har massa. Den teoretiska partikeln har aldrig observerats och kanske inte ens existerar. Vissa forskare hoppas att händelserna som skapats av LHC också kommer att avslöja bevis för förekomsten av Higgs bosonpartikel. Andra hoppas att händelserna kommer att ge tips om ny information som vi inte ens har övervägt ännu.
En annan fråga forskare har om materia handlar om tidiga förhållanden i universum. Under de tidigaste stunderna i universum, materia och energi kopplades ihop. Strax efter att materia och energi separerades, partiklar av materia och antimateria förintade varandra. Om det hade funnits lika mycket materia och antimateria, de två partiklarna skulle ha avbrutit varandra. Men lyckligtvis för oss, det fanns lite mer materia än antimateria i universum. Forskare hoppas att de kommer att kunna observera antimateria under LHC -händelser. Det kan hjälpa oss att förstå varför det var en liten skillnad i mängden materia kontra antimateria när universum började.
Mörk materia kan också spela en viktig roll i LHC -forskning. Vår nuvarande förståelse av universum tyder på att den materia vi kan observera bara står för cirka 4 procent av all materia som måste existera. När vi tittar på rörelserna i galaxer och andra himlakroppar, vi ser att deras rörelser tyder på att det finns mycket mer materia i universum än vi kan upptäcka. Forskare namngav detta odetekterbara material mörk materia. Tillsammans, observerbar materia och mörk materia kan stå för cirka 25 procent av universum. De andra tre fjärdedelarna skulle komma från en styrka som kallades mörk energi , en hypotetisk energi som bidrar till universums expansion. Forskare hoppas att deras experiment antingen kommer att ge ytterligare bevis för förekomsten av mörk materia och mörk energi eller ge bevis som kan stödja en alternativ teori.
Det är bara toppen av partikelfysikens isberg, fastän. Det finns ännu mer exotiska och kontraintuitiva saker som LHC kan dyka upp. Som vad? Ta reda på det i nästa avsnitt.
Big Bang i liten skalaGenom att krossa ihop protoner hårt och snabbt nog, LHC gör att protoner bryts sönder till mindre atomiska subpartiklar . Dessa små subpartiklar är mycket instabila och existerar bara i en bråkdel av en sekund innan de förfaller eller rekombineras med andra subpartiklar. Men enligt Big Bang -teorin, all materia i det tidiga universum bestod av dessa små delpartiklar. När universum expanderade och svalnade, dessa partiklar kombineras för att bilda större partiklar som protoner och neutroner.
Om teoretiska partiklar, antimateria och mörk energi är inte ovanliga nog, vissa forskare tror att LHC kan avslöja bevis för andra dimensioner. Vi är vana vid att leva i en värld med fyra dimensioner - tre rumsliga dimensioner och tid. Men vissa fysiker teoretiserar att det kan finnas andra dimensioner vi inte kan uppfatta. Vissa teorier är bara vettiga om det finns fler dimensioner i universum. Till exempel, en version av strängteorin kräver att det finns inte mindre än 11 dimensioner.
Stringteoretiker hoppas att LHC kommer att ge bevis för deras föreslagna modell av universum. Strängteori säger att universums grundläggande byggsten inte är en partikel, men en sträng. Strängar kan antingen vara öppna eller stängda. De kan också vibrera, liknande det sätt som strängarna på en gitarr vibrerar när de plockas. Olika vibrationer gör att strängarna verkar vara olika saker. En sträng som vibrerar ett sätt skulle se ut som en elektron. En annan sträng som vibrerar ett annat sätt skulle vara en neutrino.
Vissa forskare har kritiserat strängteori, säger att det inte finns några bevis som stöder själva teorin. Strängteori införlivar gravitation i standardmodellen - något forskare inte kan klara sig utan en extra teori. Den förenar Einsteins teori om allmän relativitet med Kvantfältsteori . Men det finns fortfarande inget bevis på att dessa strängar finns. De är alldeles för små för att observera och för närvarande finns det inget sätt att testa för dem. Det har lett till att vissa forskare avfärdar strängteori som mer en filosofi än en vetenskap.
Stringteoretiker hoppas att LHC kommer att ändra kritikernas åsikter. De letar efter tecken på supersymmetri . Enligt standardmodellen, varje partikel har en anti-partikel. Till exempel, anti-partikeln för en elektron (en partikel med en negativ laddning) är a positron . Supersymmetri föreslår att partiklar också har superpartners , som i sin tur har sina egna motsvarigheter. Det betyder att varje partikel har tre motpartiklar. Även om vi inte har sett någon indikation på dessa superpartners i naturen, teoretiker hoppas att LHC kommer att bevisa att de faktiskt existerar. Potentiellt, superpartiklar kan förklara mörk materia eller hjälpa till att passa gravitationen i den övergripande standardmodellen.
Hur stor är LHC? Hur mycket ström kommer den att använda? Hur mycket kostade det att bygga? Ta reda på det i nästa avsnitt.
Allt du vet är felMånga av forskarna som arbetar med LHC -projektet erkänner gärna att de inte är säkra på vad som kommer att hända när maskinen börjar fungera. Det beror på att det aldrig har funnits en så kraftfull partikelaccelerator som LHC. Det bästa någon forskare kan göra är att ge en välutbildad gissning. Flera av forskarna hävdar också att de skulle vara glada om de bevis som LHC genererar motsäger deras förväntningar, eftersom det skulle innebära att det skulle finnas ännu mer att lära sig.
Large Hadron Collider är en massiv och kraftfull maskin. Den består av åtta sektorer . Varje sektor är en båge avgränsad i varje ände av en sektion som kallas en införande . LHC:s omkrets mäter 27 kilometer (16,8 miles) runt. Gaspedalen och kollisionskamrarna är 100 meter (328 fot) under jorden. Forskare och ingenjörer kan komma åt servicetunneln som maskinen sitter i genom att sjunka i hissar och trappor som ligger på flera punkter längs LHC:s omkrets. CERN bygger strukturer ovan mark där forskare kan samla in och analysera data LHC genererar.
LHC använder magneter för att styra strålar av protoner när de färdas med 99,99 procent ljusets hastighet. Magneterna är mycket stora, många väger flera ton. Det finns cirka 9, 600 magneter i LHC. Magneterna kyls till en kall 1,9 grader Kelvin (-271,25 Celsius eller -456,25 Fahrenheit). Det är kallare än vakuumet i yttre rymden.
På tal om dammsugare, protonstrålarna inuti LHC rör sig genom rör i vad CERN kallar ett "ultrahögt vakuum." Anledningen till att skapa ett sådant vakuum är att undvika att introducera partiklar som protonerna kan kollidera med innan de når rätt kollisionspunkter. Även en enda gasmolekyl kan få ett experiment att misslyckas.
Det finns sex områden längs omkretsen av LHC där ingenjörer kommer att kunna utföra experiment. Tänk på varje område som om det vore ett mikroskop med en digitalkamera. Några av dessa mikroskop är enorma - ATLAS -experimentet är en enhet som är 45 meter (147,6 fot) lång, 25 meter lång och väger 7, 000 ton (5, 443 ton) [källa:ATLAS].
En översikt över Large Hadron Collider -experimenten Bild med tillstånd av CERNLHC och de experiment som är anslutna till den innehåller cirka 150 miljoner sensorer. Dessa sensorer samlar in data och skickar den till olika datorsystem. Enligt CERN, mängden data som samlas in under experiment kommer att vara cirka 700 megabyte per sekund (MB/s). På årsbasis, detta betyder att LHC kommer att samla cirka 15 petabyte data. En petabyte är en miljon gigabyte. Så mycket data kan fylla 100, 000 DVD -skivor [källa:CERN].
Det tar mycket energi att köra LHC. CERN uppskattar att den årliga strömförbrukningen för kollideraren kommer att vara cirka 800, 000 megawattimmar (MWh). Det kunde ha varit mycket högre, men anläggningen kommer inte att fungera under vintermånaderna. Enligt CERN, priset för all denna energi blir coola 19 miljoner euro. Det är nästan 30 miljoner dollar per år i elräkningar för en anläggning som kostar mer än 6 miljarder dollar att bygga [källa:CERN]!
Vad händer exakt under ett experiment? Fortsätt läsa för att ta reda på det.
Vad är coolare än att vara cool?Varför kyla magneterna till strax över temperaturen på absolut noll? Vid den temperaturen, elektromagneterna kan fungera utan elektriskt motstånd. LHC använder 10, 800 ton (9, 798 ton) flytande kväve för att kyla magneterna till 80 grader Kelvin (-193,2 Celsius eller -315,67 Fahrenheit). Sedan använder den cirka 60 ton (54 ton) flytande helium för att kyla dem resten av vägen [källa:CERN].
Principen bakom LHC är ganska enkel. Först, du avfyrar två strålar av partiklar längs två vägar, en går medurs och den andra går moturs. Du accelererar båda strålarna till nära ljusets hastighet. Sedan, du riktar båda strålarna mot varandra och ser vad som händer.
Utrustningen som är nödvändig för att uppnå detta mål är mycket mer komplex. LHC är bara en del av den övergripande CERN -partikelacceleratoranläggningen. Innan några protoner eller joner gå in i LHC, de har redan gått igenom en rad steg.
Låt oss ta en titt på en protons livslängd när den går igenom LHC -processen. Först, forskare måste ta bort elektroner från väteatomer för att producera protoner. Sedan, protonerna går in i LINAC2 , en maskin som avfyrar strålar av protoner till en accelerator som kallas PS Booster . Dessa maskiner använder enheter som kallas radiofrekvenshålrum för att accelerera protonerna. Hålrummen innehåller ett radiofrekvent elektriskt fält som skjuter protonstrålarna till högre hastigheter. Jättemagneter producerar de magnetfält som är nödvändiga för att hålla protonstrålarna på rätt spår. Rent bilmässigt, tänk på radiofrekvenshåligheterna som en accelerator och magneterna som en ratt
När en stråle av protoner når rätt energinivå, PS Booster injicerar den i en annan accelerator som kallas Super Proton Synchotron (SPS) . Strålarna fortsätter att ta fart. Vid det här laget, balkar har delats upp i gäng . Varje gäng innehåller 1,1 x 10 11 protoner, och det finns 2, 808 klasar per stråle [källa:CERN]. SPS injicerar strålar i LHC, med en stråle som går medurs och den andra går moturs.
Inuti LHC, strålarna fortsätter att accelerera. Detta tar cirka 20 minuter. I toppfart, strålarna gör 11, 245 resor runt LHC varje sekund. De två strålarna konvergerar vid en av de sex detektorplatserna placerade längs LHC. På den positionen, det kommer att finnas 600 miljoner kollisioner per sekund [källa:CERN].
När två protoner kolliderar, de bryts isär till ännu mindre partiklar. Det inkluderar subatomära partiklar som kallas kvarker och en mildnande kraft kallas gluon . Kvarker är mycket instabila och kommer att förfalla på en bråkdel av en sekund. Detektorerna samlar in information genom att spåra subatomära partiklar. Sedan skickar detektorerna data till ett rutnät med datorsystem.
Inte varje proton kommer att kollidera med en annan proton. Även med en så avancerad maskin som LHC, det är omöjligt att rikta strålar av partiklar så små som protoner så att varje partikel kommer att kollidera med en annan. Protoner som inte kolliderar kommer att fortsätta i strålen till en stråldumpningsdel. Där, en sektion av grafit kommer att absorbera strålen. Stråldumpningsdelarna kan absorbera strålar om något går fel inuti LHC. För att lära dig mer om mekaniken bakom partikelacceleratorer, ta en titt på hur Atom Smashers fungerar.
LHC har sex detektorer placerade längs omkretsen. Vad gör dessa detektorer och hur fungerar de? Ta reda på det i nästa avsnitt.
Fler partiklarHändelserna inuti LHC kommer också att producera fotoner (ljuspartiklarna), positroner (antipartiklar mot elektroner) och muoner (negativt laddade partiklar som är tyngre än elektroner).
De sex områdena längs omkretsen av LHC som kommer att samla in data och utföra experiment är helt enkelt kända som detektorer. Några av dem kommer att söka efter samma typ av information, fast inte på samma sätt. Det finns fyra stora detektorplatser och två mindre.
Detektorn känd som En toroidal LHC -apparat (ATLAS) är den största av gänget. Den mäter 46 meter (150,9 fot) lång med 25 meter (82 fot) lång och 25 meter bred. Kärnan är en enhet som kallas den inre spåraren. Den inre spåraren detekterar och analyserar momentum av partiklar som passerar genom ATLAS -detektorn. Runt den inre spåraren finns en kalorimeter . Kalorimetrar mäter partiklarnas energi genom att absorbera dem. Forskare kan titta på den väg partiklarna tog och extrapolera information om dem.
ATLAS -detektorn har också en muonspektrometer . Muoner är negativt laddade partiklar 200 gånger tyngre än elektroner. Muons kan resa genom en kalorimeter utan att stanna - det är den enda typen av partiklar som kan göra det. Spektrometern mäter momentum för varje muon med laddade partikelsensorer. Dessa sensorer kan detektera fluktuationer i ATLAS -detektorns magnetfält.
De Kompakt Muon Solenoid (CMS) är en annan stor detektor. Som ATLAS -detektorn, CMS är en detektor för allmänna ändamål som detekterar och mäter de subpartiklar som frigörs vid kollisioner. Detektorn är inuti en gigantisk magnetmagnet som kan skapa ett magnetfält nästan 100, 000 gånger starkare än jordens magnetfält [källa:CMS].
Sedan finns det ALICE, som står för Ett experiment med stora joner . Ingenjörer konstruerade ALICE för att studera kollisioner mellan joner. Genom att kollidera järnjoner med hög energi, forskare hoppas kunna återskapa förhållanden som liknar dem strax efter big bang. De förväntar sig att se jonerna bryta sönder till en kvark- och gluonblandning. En huvudkomponent i ALICE är Time Projection Chamber (TPC), som kommer att undersöka och rekonstruera partikelbanor. Liksom ATLAS- och CMS -detektorerna, ALICE har också en muonspektrometer.
Nästa är Stor Hadron Collider skönhet (LHCb) detektorplats. Syftet med LHCb är att söka efter bevis för antimateria. Det gör detta genom att söka efter en partikel som kallas skönhetskvark . En serie sub-detektorer som omger kollisionspunkten sträcker sig 20 meter (65,6 fot) i längd. Detektorerna kan röra sig i små, exakta sätt att fånga skönhetskvarkpartiklar, som är mycket instabila och snabbt förfaller.
De TOTAL Elastisk och diffraktiv tvärsnittsmätning (TOTEM) experiment är en av de två mindre detektorerna i LHC. Den mäter storleken på protoner och LHC:er ljusstyrka . Inom partikelfysik, ljusstyrka avser hur exakt en partikelaccelerator ger kollisioner.
Till sist, det finns Stor Hadron Collider fram- (LHCf) detektorplats. Detta experiment simulerar kosmiska strålar inom en kontrollerad miljö. Målet med experimentet är att hjälpa forskare att hitta på sätt att utforma experiment på vida områden för att studera naturligt förekommande kosmiska strålkollisioner.
Varje detektorplats har ett team av forskare som sträcker sig från några dussin till mer än tusen forskare. I vissa fall, dessa forskare kommer att leta efter samma information. För dem, det är en tävling för att göra nästa revolutionära upptäckt inom fysiken.
Hur kommer forskare att hantera all data som dessa detektorer kommer att samla in? Mer om det i nästa avsnitt.
hoppsan!Forskare hade hoppats att få LHC online 2007, men ett stort magnetfel bromsade saker. En enorm magnet byggd av Fermilab drabbades av ett kritiskt misslyckande under ett stresstest. Ingenjörer bestämde att misslyckandet härrörde från ett konstruktionsfel som inte tog hänsyn till de enorma asynkrona påfrestningarna som magneterna kunde utstå. Lyckligtvis för forskare, ingenjörer fixade felet ganska snabbt. Men ytterligare en i form av ett heliumläckage dök upp. Nu ska LHC komma online 2009 [källa:Professional Engineering].
Med 15 petabyte data (det är 15, 000, 000 gigabyte) som samlas in av LHC -detektorerna varje år, forskare har en enorm uppgift framför sig. Hur behandlar du så mycket information? Hur vet du att du tittar på något viktigt inom en så stor datamängd? Även med en superdator, att hantera så mycket information kan ta tusentals timmar. Under tiden, LHC skulle fortsätta samla ännu mer data.
CERN:s lösning på detta problem är LHC Computing Grid . Nätet är ett nätverk av datorer, var och en kan analysera en bit av data på egen hand. När en dator har slutfört sin analys, den kan skicka resultaten till en centraliserad dator och acceptera en ny bit data. Så länge forskare kan dela upp data i bitar, systemet fungerar bra. Inom datorindustrin kallas detta tillvägagångssätt nätverksberäkning .
Forskarna på CERN bestämde sig för att fokusera på att använda relativt billig utrustning för att utföra sina beräkningar. Istället för att köpa banbrytande dataservrar och processorer, CERN koncentrerar sig på hårdvara som kan fungera bra i ett nätverk. Deras tillvägagångssätt liknar mycket den strategi Google använder. Det är mer kostnadseffektivt att köpa massor av genomsnittlig hårdvara än några få avancerade apparater.
Med hjälp av en speciell typ av programvara som kallas medvetenhet , nätverket av datorer kommer att kunna lagra och analysera data för varje experiment som utförs på LHC. Systemets struktur är organiserad i nivåer:
Alla Tier 2 -webbplatser kan komma åt alla Tier 1 -webbplatser. Anledningen till det är att ge forskningsinstitutioner och universitet chansen att fokusera på specifik information och forskning.
En utmaning med ett så stort nätverk är datasäkerhet. CERN bestämde att nätverket inte kunde förlita sig på brandväggar på grund av mängden datatrafik i systemet. Istället, systemet förlitar sig på Identifiering och tillstånd procedurer för att förhindra obehörig åtkomst till LHC -data.
Vissa människor säger att oro för datasäkerhet är en viktig punkt. Det beror på att de tror att LHC kommer att förstöra hela världen.
Är det verkligen möjligt? Ta reda på det i nästa avsnitt.
LHC kommer att tillåta forskare att observera partikelkollisioner på en energinivå som är mycket högre än något tidigare experiment. Vissa människor oroar sig för att sådana kraftfulla reaktioner kan orsaka allvarliga problem för jorden. Faktiskt, några människor är så oroliga att de lämnade in en stämning mot CERN i ett försök att fördröja LHC:s aktivering. I mars 2008, före detta kärnsäkerhetsofficer Walter Wagner och Luis Sancho stod i spetsen för en stämning som lagts in i Hawaii:s amerikanska tingsrätt. De hävdar att LHC potentiellt kan förstöra världen [källa:MSNBC].
Vad är grunden för deras oro? Kan LHC skapa något som kan göra slut på allt liv som vi känner det? Vad exakt kan hända?
En rädsla är att LHC kan producera svarta hål. Svarta hål är områden där materia kollapsar till en punkt med oändlig densitet. CERN -forskare medger att LHC kan producera svarta hål, men de säger också att de svarta hålen skulle vara på en subatomär skala och skulle kollapsa nästan omedelbart. I kontrast, de svarta hålen astronomer studerar resultat från en hel stjärna som kollapsar i sig själv. Det är en stor skillnad mellan massan av en stjärna och en för en proton.
En annan oro är att LHC kommer att producera ett exotiskt (och hittills hypotetiskt) material som kallas strangelets . En möjlig egenskap hos strangelets är särskilt oroande. Kosmologer teoretiserar att strangelets kan ha ett kraftfullt gravitationsfält som kan tillåta dem att omvandla hela planeten till en livlös hulk.
Forskare vid LHC avfärdar denna oro med hjälp av flera motpunkter. Först, de påpekar att strangelets är hypotetiska. Ingen har observerat sådant material i universum. Andra, de säger att det elektromagnetiska fältet kring sådant material skulle avvisa normal materia snarare än att ändra det till något annat. Tredje, de säger att även om sådant finns, det skulle vara mycket instabilt och förfalla nästan omedelbart. Fjärde, forskarna säger att kosmiska strålar med hög energi bör producera sådant material naturligt. Eftersom jorden fortfarande finns, de teoretiserar att strangelets är en icke-fråga.
En annan teoretisk partikel som LHC kan generera är a magnetisk monopol . Teoretiserad av P.A.M. Dirac, en monopol är en partikel som har en enda magnetisk laddning (norr eller söder) istället för två. Oron Wagner och Sancho citerade är att sådana partiklar kan dra isär materia med sina snedställda magnetiska laddningar. CERN -forskare håller inte med, säger att om det finns monopoler, det finns ingen anledning att frukta att sådana partiklar skulle orsaka sådan förstörelse. Faktiskt, åtminstone ett team av forskare letar aktivt efter bevis för monopoler med hopp om att LHC kommer att producera några.
Andra bekymmer om LHC inkluderar rädsla för strålning och det faktum att det kommer att producera de högsta energikollisionerna av partiklar på jorden. CERN säger att LHC är extremt säker, med tjock skärmning som inkluderar 100 meter jord ovanpå den. Dessutom, personal är inte tillåtna under jord under experiment. När det gäller oro för kollisioner, forskare påpekar att kosmiska strålkollisioner med hög energi sker hela tiden i naturen. Strålar kolliderar med solen, månen och andra planeter, som alla fortfarande finns kvar utan tecken på skada. Med LHC, dessa kollisioner kommer att ske inom en kontrollerad miljö. Annat, det är verkligen ingen skillnad.
Kommer LHC att lyckas med att öka vår kunskap om universum? Kommer de insamlade uppgifterna att väcka fler frågor än de svarar på? Om tidigare experiment är någon indikation, det är förmodligen en säker satsning att anta att svaret på båda dessa frågor är ja.
För att lära dig mer om Large Hadron Collider, partikelacceleratorer och relaterade ämnen, accelerera över till länkarna på nästa sida.