Как работает ЦЕРН

Более 40 лет назад британский физик-теоретик Питер Хиггс и его коллеги предположили, что именно эта элементарная частица и связанное с ней поле являются причинами, по которым материя имеет массу. Когда ученые подтвердили теорию Хиггса в 21 веке, это открыло окно в то, как устроена Вселенная, изучению которой Эйнштейн и многие другие посвятили свою жизнь.

Открытие стало триумфом науки. Тем не менее, исследователи сделали эту находку, не глядя в телескоп, не анализируя данные, полученные с космического корабля, и даже не выполняя один из знаменитых мысленных экспериментов Эйнштейна . Они нашли Хиггса в результате десятилетий кропотливых исследований на коллайдерах по всему миру, особенно в ЦЕРНе в Женеве, Швейцария. ЦЕРН расшифровывается как Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (или Европейский центр ядерных исследований).

Их исследования были кропотливыми, потому что жизнь бозона Хиггса бесконечно коротка. Он распадается на более мелкие частицы за гораздо меньшее время, чем требуется, чтобы моргнуть. Ученым пришлось быть настороже, чтобы обнаружить Хиггса. Путем проб и ошибок, эйфории и отчаяния ученые ЦЕРН десятилетиями потратили 10 миллиардов долларов на погоню за неуловимой частицей [источник: Overbye ].

Это открытие поместило ЦЕРН на первую полосу. Тем не менее, большинство людей до сих пор не понимают, чем на самом деле занимаются ученые ЦЕРНа. Мы можем помочь с этим.

1. Внутри ЦЕРН
2. Адрон (коллайдер) в сердце
3. Анализ данных ЦЕРН: теперь это большая работа

ЦЕРН существует с 1950-х годов. Напомним, что в конце Второй мировой войны в Европе царил беспорядок, а в ее научном сообществе - развалины. Ученые Соединенных Штатов, в том числе многие из них, приехавшие из Европы, заняли лидирующие позиции в области физики. В 1949 году французский квантовый физик Луи де Бройль предложил Европе попытаться вернуть себе свою научную славу, создав многонациональную лабораторию атомной физики.

Несколько лет спустя ЦЕРН родился и построил недалеко от Женевы. В 12 государств-основателей входили Бельгия, Дания, Франция, Западная Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания и Югославия. По состоянию на январь 2014 года 21 страна, включая Израиль, Польшу и Финляндию, являются членами CERN, и каждая из них получает два места в совете CERN, принимающем решения органе, но при одном голосе по таким решениям. Генеральный директор ЦЕРН Рольф Хойер в 2014 году, по сути, выступает в роли лидера.

Соединенные Штаты являются не членом, а государством-наблюдателем , то есть государством, которое может посещать собрания и получать информацию, но не голосовать по вопросам ЦЕРН [источник: ЦЕРН ]. (Говоря о США, они вложили 531 миллион долларов на строительство нескольких компонентов LHC.)

Задача ЦЕРН заключалась в том, чтобы выяснить, как устроена Вселенная. Ничего страшного, правда? Ученые решили, что лучший способ выполнить эту грандиозную задачу - построить гигантские машины, которые сталкивают субатомные частицы друг с другом . Была надежда, что эти так называемые сокрушители атомов позволят исследователям заглянуть в то время, которое произошло сразу после возникновения Вселенной. Соответственно, в 1957 году ЦЕРН начал строительство своего самого первого ускорителя, синхроциклотрона, который разбился и проложил себе путь к 33 годам службы. В настоящее время ЦЕРН эксплуатирует несколько ускорителей и один замедлитель в строительном комплексе, расположенном на границе Швейцарии и Франции. Стоимость экспериментов распределяется между странами-участницами [источники: Exploratorium , CERN ].

К 2014 году в ЦЕРН работали 2400 штатных сотрудников и 1500 частично занятых, в то время как более 600 институтов и университетов получили разрешение использовать его помещения, чтобы начать разгадывать различные загадки, такие как антивещество , черные дыры и события. это произошло через долю секунды после Большого взрыва . Более того, 10 000 ученых из 113 стран - половина всех физиков элементарных частиц на планете - ежегодно приезжают в ЦЕРН для проведения исследований. И это не только ученые. Люди работают на самых разных должностях, включая инженеров, физиков-экспериментаторов и даже бухгалтеров. Ученые из стран-участниц получают первые успехи в своей должности, хотя старшие ученые из других стран всегда считаются [источники: Exploratorium , ЦЕРН ].

Соединяя мир

В 1989 году британский ученый Тим Бернерс-Ли помог изобрести всемирную паутину, разработав протокол передачи гипертекста, или http. Бернерс-Ли стремился создать сеть интерактивных компьютеров, чтобы ученые всего мира могли обмениваться данными [источник: ЦЕРН ].

В основе ЦЕРН лежит самый большой и самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц, сокрушитель атомов, называемый Большим адронным коллайдером (LHC). (Он настолько большой, что у него есть отдельная статья .) LHC состоит из 17-мильного (27-километрового) кольца сверхпроводящих магнитов и серии ускорителей, которые стреляют частицами высокой энергии через устройство, как пуля в пистолет. . Расположенный на глубине 328 футов (100 метров) под землей, коллайдер испускает пучок протонов в одном направлении, в то время как другой луч движется в противоположном направлении.

Кабум ! Каблам ! Сплат !

Используйте любое восклицание, какое захотите. На максимальной скорости частицы врезаются в каждую из них со скоростью 99,9999991% от скорости света [источник: ЦЕРН ]. Каждый раз, когда протоны сталкиваются друг с другом, возникает сложный спрей из других частиц. Многие из этих частиц существуют менее секунды, но оставляют за собой субатомные хлебные крошки, по которым ученые могут проследить. Чтобы проследить этот путь, ученые полагаются на два очень сложных детектора, которые позволяют им видеть элементарные строительные блоки нашей Вселенной.

Один из таких детекторов - АТЛАС. Машина, длина которой составляет около 148 футов (45 метров), а высота - 82 фута (25 метров), помогла найти бозон Хиггса. Атлас вдвое меньше Нотр-Дам (собор, а не университет) и весит столько же, сколько Эйфелева башня (парижская, а не Лас-Вегас). Ученые ЦЕРНа используют ATLAS и другие детекторы (ALICE, CMS, LHCb, LHCf) для изучения того, о чем вы читаете только в научно-фантастических книгах, например, существуют ли другие измерения; какой тип объединяющей силы мог бы быть во Вселенной; и если есть доказательства темной материи . Только два детектора, ATLAS и CMS, были посвящены разгадке тайны бозона Хиггса. Все эксперименты на LHC отличаются друг от друга и проводятся коллективом ученых со всего мира [источники: ATLAS , CERN].

Сломать частицы вместе почти со скоростью света - это одно; интерпретация данных из этих столкновений - другое. Частицы сталкиваются в LHC почти 600 миллионов раз в секунду [источник: Сакаи ]. Информация, извергающаяся из этих аварий, может многое рассказать нам о внутренней работе атома и силах, которые удерживают атом вместе, но мы, конечно, не можем записать всю информацию с детекторов. Если бы это сделал CERN, ATLAS, например, мог бы заполнять 100 000 компакт-дисков данными каждую секунду. Вместо этого ATLAS, как и другие детекторы, может записывать только «немного» информации, примерно достаточно, чтобы записывать 27 компакт-дисков в минуту [источник: ATLAS ].

Хотя это число - лишь часть доступной информации, это все еще подавляющее количество. Детекторы передают то, что они находят, в центр обработки данных ЦЕРН, где технические специалисты и исследователи используют компьютеры для цифровой реконструкции каждого столкновения. Во время реконструкции ученые подвергли проверке свои теории поведения частиц. Они сравнивают столкновения, смоделированные на компьютере, с фактическими столкновениями. Несоответствие между ними может означать новую науку, что-то, что осталось необъяснимым [источник: Сакаи ].

Каждый день центр обработки данных обрабатывает один петабайт информации. Для хранения всей информации в петабайте потребуется 223 000 DVD [источник: McKenna ]. Чтобы усложнить задачу, ученые ежегодно просматривают 30 петабайт, что делает поиск новой науки невероятно трудной [источники: ЦЕРН , Маккенна ].

Учитывая эти ошеломляющие цифры, центр обработки данных ЦЕРН не может самостоятельно обработать такие цифры. Вместо этого ученые полагаются на крупнейшую на планете вычислительную сеть - Worldwide LHC Computing Grid, объединение 170 компьютерных центров в 40 странах. Грид рекламируется как «самая сложная система сбора и анализа данных, когда-либо созданная для науки». Он выполняет более 2 миллионов заданий в день и может передавать 10 гигабайт данных со своих серверов каждую секунду. Без сетки бозон Хиггса мог бы остаться незамеченным [источник: WLCG ].

Что касается Эйнштейна, он бы качнулся в могиле, если бы знал, что происходит в ЦЕРНе - то есть, если бы его друзья не развели его прах на реке Делавэр в 1955 году.

Атомный отпуск

Если вы когда-нибудь отдыхаете в Женеве, вы можете совершить поездку по ЦЕРНу бесплатно, но не забудьте сначала посетить веб-сайт и отправить запрос. Не забудьте свой паспорт или удостоверение личности. Также оставьте дома своих детей до 13 лет (для групповых туров) вместе с туфлями на высоком каблуке, сандалиями и шлепанцами. Курить тоже нельзя [источник: ЦЕРН ].

Примечание автора: как работает ЦЕРН

Я ссылаюсь на Эйнштейна не потому, что понимаю хотя бы часть того, чему он учил мир, а потому, что современные ученые в значительной степени пытаются опираться на работу Эйнштейна. Одна из вещей, которую Эйнштейн уделял много времени изучению, - это поведение атомов и света. Его теории в конечном итоге привели к существованию и открытию бозона Хиггса.

Связанные истории