CERN ทำงานอย่างไร

กว่า 40 ปีก่อน นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอังกฤษ Peter Higgs และเพื่อนร่วมงานของเขาได้เสนอว่าอนุภาคมูลฐานเฉพาะนี้และสาขาที่เกี่ยวข้องเป็นสาเหตุที่สสารมีมวล เมื่อนักวิทยาศาสตร์ยืนยันทฤษฎีของฮิกส์ในศตวรรษที่ 21 มันได้เปิดหน้าต่างว่าจักรวาลทำงานอย่างไร ซึ่งไอน์สไตน์และคนอื่นๆ อีกหลายคนอุทิศชีวิตเพื่อการศึกษา

การค้นพบนี้แสดงถึงชัยชนะของวิทยาศาสตร์ แต่นักวิจัยพบทำไม่ได้โดยการมองผ่านกล้องโทรทรรศน์วิเคราะห์ข้อมูลที่รวบรวมจากยานอวกาศหรือแม้กระทั่งการดำเนินการอย่างใดอย่างหนึ่งที่มีชื่อเสียงของ Einstein ทดลองทางความคิดพวกเขาพบฮิกส์ผ่านการวิจัยอย่างอุตสาหะในหลายทศวรรษที่ผู้ชนทั่วโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง CERN ในเมืองเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ CERN ย่อมาจากConseil Européen pour la Recherche Nucléaire (หรือศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป)

การวิจัยของพวกเขาต้องใช้ความอุตสาหะเพราะชีวิตของฮิกส์โบซอนนั้นสั้นเหลือเกิน จะแบ่งเป็นอนุภาคขนาดเล็กมากเวลาน้อยกว่าก็จะกระพริบตา นักวิทยาศาสตร์ต้องใช้นิ้วเท้าเพื่อตรวจจับฮิกส์ ผ่านการลองผิดลองถูก ความอิ่มเอิบใจ และความสิ้นหวัง นักวิทยาศาสตร์ที่ CERN ใช้เงิน 10 พันล้านดอลลาร์ตลอดหลายทศวรรษในการไล่ตามอนุภาคที่เข้าใจยาก [แหล่งที่มา: Overbye ]

การค้นพบนี้ทำให้ CERN อยู่ในหน้าแรก ถึงกระนั้น คนส่วนใหญ่ก็ยังไม่รู้ว่านักวิทยาศาสตร์ที่ CERN ทำอะไรจริงๆ เราสามารถช่วยในเรื่องนั้นได้

1. ภายใน CERN
2. The Hadron (Collider) ที่หัวใจ
3. การวิเคราะห์ข้อมูล CERN: ตอนนี้เป็นงานใหญ่

CERN มีมาตั้งแต่ปี 1950 จำได้ว่าเมื่อสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่ 2ยุโรปก็โกลาหล และชุมชนวิทยาศาสตร์ก็โกลาหล นักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งรวมถึงหลายคนที่ถอนตัวออกจากยุโรป ได้เป็นผู้นำในวิชาฟิสิกส์ ในปี 1949 นักฟิสิกส์ควอนตัมชาวฝรั่งเศสชื่อ Louis de Broglie เสนอว่ายุโรปพยายามที่จะรื้อฟื้นความรุ่งโรจน์ทางวิทยาศาสตร์โดยการสร้างห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ปรมาณูข้ามชาติ

ไม่กี่ปีต่อมา CERN เกิดและสร้างขึ้นนอกเมืองเจนีวา 12 ประเทศผู้ก่อตั้ง ได้แก่ เบลเยียม เดนมาร์ก ฝรั่งเศส เยอรมนีตะวันตก กรีซ อิตาลี เนเธอร์แลนด์ นอร์เวย์ สวีเดน สวิตเซอร์แลนด์ สหราชอาณาจักร และยูโกสลาเวีย ณ เดือนมกราคม 2014 มี 21 ประเทศ รวมทั้งอิสราเอล โปแลนด์ และฟินแลนด์ เป็นสมาชิก CERN และแต่ละประเทศได้รับสองตำแหน่งในสภา CERN ซึ่งเป็นหน่วยงานที่ทำการตัดสินใจ แต่มีคะแนนเสียงเดียวสำหรับการตัดสินใจดังกล่าว Rolf Heuer อธิบดีของ CERN ในปี 2014 ทำหน้าที่เป็นผู้นำเป็นหลัก

สหรัฐอเมริกาไม่ได้เป็นสมาชิกแต่เป็นรัฐผู้สังเกตการณ์กล่าวคือ ประเทศที่สามารถเข้าร่วมการประชุมและรับข้อมูล แต่ไม่ลงคะแนนในเรื่อง CERN [ที่มา: CERN ] (พูดถึงสหรัฐอเมริกา มีส่วนสนับสนุน 531 ล้านดอลลาร์สำหรับการก่อสร้างส่วนประกอบ LHC หลายส่วน)

งานของ CERN คือการค้นหาว่าจักรวาลทำงานอย่างไร ไม่เป็นไรมากใช่มั้ย? นักวิทยาศาสตร์ตัดสินใจว่าวิธีที่ดีที่สุดในการบรรลุภารกิจที่ยิ่งใหญ่นี้คือการสร้างเครื่องจักรขนาดยักษ์ที่กระแทกอนุภาคย่อยเข้าด้วยกัน ความหวังก็คือสิ่งที่เรียกว่าเครื่องตีอะตอมเหล่านี้จะทำให้นักวิจัยได้ย้อนเวลากลับไปหลังจากที่จักรวาลได้ถือกำเนิดขึ้น ดังนั้น CERN จึงเริ่มสร้างเครื่องเร่งความเร็วเครื่องแรกในปี 1957 ซึ่งก็คือ Synchrocyclotron ซึ่งชนและพังจนพังยับเยินจนถึงอายุใช้งาน 33 ปี ปัจจุบัน CERN ดำเนินการเครื่องเร่งความเร็วหลายเครื่องและเครื่องชะลอความเร็วหนึ่งเครื่องในอาคารที่ข้ามพรมแดนสวิสและฝรั่งเศส ค่าใช้จ่ายในการทดลองกระจายไปทั่วประเทศสมาชิก [แหล่งที่มา: Exploratorium , CERN ]

ภายในปี 2014 พนักงานประจำ 2,400 คนและพาร์ทไทม์ 1,500 คนทำงานที่ CERN ในขณะที่สถาบันและมหาวิทยาลัยมากกว่า 600 แห่งได้รับอนุญาตให้ใช้สิ่งอำนวยความสะดวกเพื่อเริ่มไขปริศนาต่างๆ เช่นปฏิสสารหลุมดำ และเหตุการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นเป็นครั้งที่สองหลังจากที่แยกบิ๊กแบงนอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ 10,000 คนจาก 113 ประเทศ ครึ่งหนึ่งของนักฟิสิกส์อนุภาคทั้งหมดบนโลก แวะที่ CERN เพื่อทำการวิจัยในแต่ละปี และไม่ใช่แค่นักวิทยาศาสตร์เท่านั้น ผู้คนทำงานหลากหลายงาน รวมถึงวิศวกร นักฟิสิกส์ทดลอง และแม้แต่นักบัญชี นักวิทยาศาสตร์จากประเทศสมาชิกได้รับตำแหน่งก่อน แม้ว่านักวิทยาศาสตร์อาวุโสจากประเทศอื่น ๆ จะได้รับการพิจารณาเสมอ [แหล่งที่มา: Exploratorium , CERN ]

เชื่อมต่อโลก

ในปี 1989 ทิม เบอร์เนอร์ส-ลี นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ช่วยประดิษฐ์เวิลด์ไวด์เว็บโดยการพัฒนาโปรโตคอลการถ่ายโอนไฮเปอร์เท็กซ์หรือ http Berners-Lee กระตือรือร้นที่จะสร้างเครือข่ายคอมพิวเตอร์แบบโต้ตอบเพื่อให้นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกสามารถแบ่งปันข้อมูลได้ [แหล่งที่มา: CERN ]

หัวใจของ CERN คือเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่และทรงพลังที่สุดในโลก เครื่องตีอะตอมที่เรียกว่า Large Hadron Collider (LHC) (มันใหญ่มากจนมีบทความของตัวเอง ) LHC ทำจากวงแหวนแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดยาว 17 ไมล์ (27 กิโลเมตร) และชุดเครื่องเร่งอนุภาคที่ยิงอนุภาคพลังงานสูงผ่านอุปกรณ์เหมือนกระสุนผ่านปืน . ซึ่งอยู่ใต้ดิน 100 เมตร เครื่องชนกันจะส่งลำแสงโปรตอนไปในทิศทางเดียว ในขณะที่อีกลำหนึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม

คาบูม ! กบลาม ! กระเด็น !

ใช้เครื่องหมายอัศเจรีย์ที่คุณต้องการ ที่ความเร็วสูงสุด อนุภาคจะชนแต่ละอนุภาคด้วยความเร็วแสง 99.9999991 เปอร์เซ็นต์ [แหล่งที่มา: CERN ] ทุกครั้งที่โปรตอนชนกัน มันจะสร้างละอองที่ซับซ้อนของอนุภาคอื่นๆ อนุภาคเหล่านี้จำนวนมากอยู่ได้ไม่ถึงวินาที แต่ทิ้งร่องรอยของเศษขนมปังที่นักวิทยาศาสตร์สามารถติดตามได้ ในการติดตามเส้นทางนั้น นักวิทยาศาสตร์ต้องอาศัยเครื่องตรวจจับที่มีความซับซ้อนสูงสองเครื่อง ซึ่งช่วยให้พวกเขาเห็นองค์ประกอบพื้นฐานในจักรวาลของเรา

หนึ่งในเครื่องตรวจจับเหล่านั้นคือ ATLAS เครื่องซึ่งมีความยาวประมาณ 148 ฟุต (45 เมตร) และสูง 82 ฟุต (25 เมตร) ช่วยค้นหา Higgs boson ATLAS มีขนาดใหญ่เท่ากับ Notre Dame ครึ่งหนึ่ง (มหาวิหาร ไม่ใช่มหาวิทยาลัย) และมีน้ำหนักมากพอๆ กับหอไอเฟล (หอหนึ่งในปารีส ไม่ใช่ลาสเวกัส) นักวิทยาศาสตร์ของ CERN ใช้ ATLAS และเครื่องตรวจจับอื่นๆ (ALICE, CMS, LHCb, LHCf) เพื่อศึกษาสิ่งที่คุณอ่านเฉพาะในหนังสือนิยายวิทยาศาสตร์เช่น มิติอื่นๆ ที่มีอยู่จริงหรือไม่ แรงรวมประเภทใดในจักรวาล และถ้ามีหลักฐานของสสารมืด มีเพียงเครื่องตรวจจับสองตัวคือ ATLAS และ CMS เท่านั้นที่อุทิศให้กับการไขปริศนาฮิกส์โบซอน การทดลองทั้งหมดที่ LHC มีความแตกต่างกันและดำเนินการโดยทีมนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานร่วมกันทั่วโลก [แหล่งที่มา: ATLAS , CERN].

การรวมอนุภาคเข้าด้วยกันด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงเป็นสิ่งหนึ่ง การตีความข้อมูลจากการชนกันนั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง อนุภาคชนกันใน LHC เกือบ 600 ล้านครั้งต่อวินาที [ที่มา: Sakai ] ข้อมูลที่คายออกมาจากการชนเหล่านั้นสามารถบอกเราถึงปริมาณการทำงานภายในของอะตอมและแรงที่ยึดอะตอมไว้ด้วยกัน แต่เราไม่สามารถบันทึกข้อมูลทั้งหมดจากเครื่องตรวจจับได้อย่างแน่นอน ถ้า CERN ทำได้ ตัวอย่างเช่น ATLAS สามารถเติมข้อมูลได้ 100,000 แผ่นทุกวินาที ATLAS เช่นเดียวกับเครื่องตรวจจับอื่น ๆ สามารถบันทึกข้อมูลได้เพียง "smidgen" ซึ่งเพียงพอสำหรับใส่ซีดี 27 แผ่นต่อนาที [แหล่งที่มา: ATLAS ]

แม้ว่าตัวเลขนั้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของข้อมูลที่มีอยู่ แต่ก็ยังเป็นจำนวนที่ล้นหลาม เครื่องตรวจจับจะถ่ายโอนสิ่งที่พวกเขาพบไปยังศูนย์ข้อมูล CERN ซึ่งช่างเทคนิคและนักวิจัยใช้คอมพิวเตอร์เพื่อสร้างการชนกันแต่ละครั้งแบบดิจิทัล ในระหว่างการสร้างใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้ใส่ทฤษฎีว่าอนุภาคมีพฤติกรรมอย่างไรในการทดสอบ พวกเขาเปรียบเทียบการชนกันที่จำลองด้วยคอมพิวเตอร์กับการชนที่เกิดขึ้นจริง ความเหลื่อมล้ำระหว่างคนทั้งสองอาจบ่งบอกถึงวิทยาศาสตร์ใหม่ ซึ่งเป็นสิ่งที่อธิบายไม่ได้ [แหล่งที่มา: Sakai ]

ในแต่ละวัน ศูนย์ข้อมูลจะประมวลผลข้อมูลหนึ่งเพทาไบต์ ต้องใช้ดีวีดี 223,000 แผ่นเพื่อเก็บข้อมูลทั้งหมดเป็นเพตาไบต์ [ที่มา: McKenna ] ในการทำให้สิ่งต่างๆ ยากขึ้น นักวิทยาศาสตร์จึงต้องเจาะข้อมูล 30 เพตาไบต์ในแต่ละปี ซึ่งทำให้วิทยาศาสตร์ใหม่ๆ หายากอย่างเหลือเชื่อ [แหล่งที่มา: CERN , McKenna ]

ด้วยตัวเลขที่ส่ายไปมาเหล่านี้ ศูนย์กลางข้อมูลของ CERN จึงไม่สามารถกระทืบตัวเลขดังกล่าวได้ด้วยตัวเอง แต่นักวิทยาศาสตร์กลับพึ่งพาเครือข่ายคอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก นั่นคือ Worldwide LHC Computing Grid ซึ่งเป็นสมาคมของศูนย์คอมพิวเตอร์ 170 แห่งใน 40 ประเทศ ตารางนี้ได้รับการขนานนามว่าเป็น "ระบบการรับและวิเคราะห์ข้อมูลที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยมีมาเพื่อวิทยาศาสตร์" มีงานมากกว่า 2 ล้านงานต่อวัน และสามารถถ่ายโอนข้อมูล 10 กิกะไบต์จากเซิร์ฟเวอร์ทุกวินาที หากไม่มีกริด Higgs boson อาจไม่ถูกค้นพบ [แหล่งที่มา: WLCG ]

สำหรับไอน์สไตน์ เขาจะสั่นไหวในหลุมศพถ้าเขารู้ว่าเกิดอะไรขึ้นที่ CERN นั่นคือถ้าเพื่อนของเขาไม่ปูขี้เถ้าของเขาในแม่น้ำเดลาแวร์ในปี 1955

วันหยุดปรมาณู

หากคุณเคยพักผ่อนในเจนีวา คุณสามารถทัวร์ CERN ได้ฟรี แต่อย่าลืมเข้าไปที่เว็บไซต์ก่อนแล้วยื่นคำขอ อย่าลืมหนังสือเดินทางหรือบัตรประจำตัวของคุณ นอกจากนี้ ปล่อยให้บุตรหลานอายุต่ำกว่า 13 ปี (สำหรับทัวร์แบบกลุ่ม) อยู่ที่บ้าน พร้อมกับรองเท้าส้นสูง รองเท้าแตะ และรองเท้าแตะ คุณไม่สามารถสูบบุหรี่ได้เช่นกัน [ที่มา: CERN ]

หมายเหตุผู้แต่ง: CERN ทำงานอย่างไร

ฉันอ้างอิงไอน์สไตน์ไม่ใช่เพราะฉันเข้าใจแม้กระทั่งสิ่งที่เขาสอนไปทั่วโลก แต่เพราะนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันพยายามที่จะสร้างงานของไอน์สไตน์ สิ่งหนึ่งที่ไอน์สไตน์ใช้เวลาส่วนใหญ่ในการศึกษาคือพฤติกรรมของอะตอมและแสง ทฤษฎีของเขานำไปสู่การดำรงอยู่และการค้นพบโบซอนฮิกส์ในที่สุด

เรื่องที่เกี่ยวข้อง