Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Властелин колец: церн

16.12.2015 Наука и жизнь

Супердетектор Delphi — огромное сооружение размером с дом. В его проетирование и сооружение внесли вклад отечественные университеты ОИЯИ (г. Дубна) и ИФВЭ (г. Протвино)

ATLAS — один из детекторов Громадного адронного коллайдера
Огромные магниты детектора ALICE
Электрон-позитронный коллайдер LEP

OPAL — электромагнитный калориметр

Исследования ядерной физики и физики элементарных частиц так трудоемки и ресурсоемки, что их нереально реализовать в рамках одной лаборатории либо кроме того университета. Это стало очевидным еще во времена Манхэттенского проекта, к осуществлению которого было нужно привлечь не только главные силы американской науки, но и большая часть эмигрировавших в Америку европейских ученых.

Современная физика высоких энергий начинается в рамках так называемых коллабораций, каковые объединяют ресурсы и научные силы различных стран. Самый большой проект подобного рода — Европейская организация по ядерным изучениям — научный центр, расположенный неподалеку от Женевы, на границе Швейцарии и Франции.

В первой половине 50-ых годов двадцатого века 12 государств Европы (Бельгия, Дания, Франция, ФРГ, Греция, Италия, Голландия, Норвегия, Швеция, югославия и Швейцария как Великобритания и участники в ранге наблюдателя) подписали соглашение о создании временной организации — Европейского совета по ядерным изучениям, сокращенно CERN (по первым буквам французского заглавия Conseil EuropОenne pour la Recherche NuclОaire).Властелин колец: церн В то время, когда в первой половине 50-ых годов XX века организация приобрела постоянный статус и начала называться Европейской организацией по ядерным изучениям, прошлую сокращение решили сохранить, и сейчас на всех языках данный наибольший в мире научный центр носит название CERN (среди них и по-русски — ЦЕРН).

Из четырех предполагаемых вариантов размещения центра (Париж, Копенгаген, Женева и Арнем) предпочтение в итоге было дано Женеве из-за ее интернациональной позиции, расположения, и обещания Швейцарии дать в окрестностях города 40 га нужной для постройки территории. Первый штат сотрудников ЦЕРНа насчитывал 114 человек, а первым директором был назначен известный физик, нобелевский лауреат Феликс Блох.

Ускорители

Главным инструментом для изучений в области физики элементарных частиц есть ускоритель — сложнейшая машина, которая в не меньшей степени, чем космический корабль, аккумулирует технические успехи и стимулирует развитие последних достижений науки и техники. Практически ускоритель — это вакуумная трубка, окруженная сложной совокупностью синхронизованных между собой магнитов и электрических ускоряющих полей, каковые разрешают разогнать заряженные частицы практически до скорости света и создать сгусток из большого количества частиц с заданной энергией.

Ускоритель — это сердце лаборатории по изучению элементарных частиц, около которого сосредоточены различные другие органы: совокупности обслуживания; детекторы, по сложности не уступающие космическим аппаратам; мозги в прямом и переносном смысле — как электронные, так и настоящие.

Первый элемент ускорительного комплекса ЦЕРНа — синхроциклотрон — был выстроен во второй половине 50-ых годов XX века и разгонял частицы до энергии 600 МэВ. Параллельно с его постройкой разрабатывался и главный ускоритель — протонный синхротрон (PS). Его сооружение длилось 5 лет и закончилось успешными опробованиями 24 ноября 1959 года.

Объявляя об этом достижении на следующий сутки, директор ЦЕРНа Джон Адамс держал в руках необычный предмет — пустую бутылку из-под водки. Эту бутылку (конечно, полную) отправили физики из Дубны с пожеланием выпить ее по окончании того, как синхротрон в ЦЕРНе преодолеет рекордную в то время энергию в 10 ГэВ, взятую на синхрофазотроне Дубны.

Сохранилась фотография, где Адамс держит в руках эту бутылку, в которой лежит ответное сообщение для сотрудников из Дубны — фотография со снимком взятого на новом ускорителе пучка частиц с энергией 24 ГэВ. Через несколько недель удалось достигнуть большой энергии в 28,3 ГэВ, и с того времени первый протонный синхротрон ЦЕРНа удачно приспособился ко все новым и новым запросам экспериментаторов, причем его совокупность фокусирующих магнитов оставалась без трансформаций и исправно трудилась в течение 45 лет!

До тех пор пока главный ускоритель деятельно функционировал, в ЦЕРНе вовсю шла разработка нового проекта — пересекающихся накопительных колец. Мысль накапливать два пучка частиц, а позже сталкивать их между собой уже была к тому времени реализована для электронов и доказала собственную эффективность. Во встречных столкновениях часть выделяющейся энергии намного больше, чем при столкновениях с неподвижной мишенью.

А поставлять протоны в эти кольца должен был все тот же протонный синхротрон.

Строительство первого в мире ускорителя протонов с пересекающимися накопительными кольцами было завершено в ЦЕРНе в первой половине 70-ых годов двадцатого века. Это была не только первая реализация инженерного плана, но и действительно интернациональная постройка, потому, что протонный синхротрон пребывал в Швейцарии, а накопительные кольца приблизительно в 300 м от него — во Франции.

Европейские физики в тот момент опередили собственных американских сотрудников, каковые с грустью шутили, что «в наше время главный инструмент для изучения в физике высоких энергий — Boeing 707». Имелся в виду трансатлантический рейс, что доставлял американских ученых в Европу для принятие участия в опытах в ЦЕРНе.

Вправду, эти неповторимые ускорительные комплексы сыграли ключевую роль в тех открытиях, каковые были сделаны в ЦЕРНе в следующие 15 лет.

Практика — критерий истины

К началу 70-х годов физикам удалось придумать теорию, которая разрешила объединить (записать в виде неспециализированной формулы) два из четырех известных сотрудничеств — электромагнитное (между заряженными частицами) и не сильный (несущее ответственность за распад нейтрона и радиоактивный бета-распад). Новая электрослабая теория предвещала две вещи, нуждавшиеся в экспериментальном подтверждении: особенный вид сотрудничеств с участием нейтрино (так именуемые «нейтральные токи») и новые частицы, практически в 100 раз более тяжелые, чем нейтроны и протоны, и названные W- и Z-бозонов.

Чтобы заметить, как взаимодействуют «всепроникающие» нейтрино, была использована намерено сконструированная для нейтринных опытов во французском исследовательском центре Сакле и доставленная в ЦЕРН пузырьковая камера «Гаргамель». Она имела форму цилиндра длиной практически 5 м и диаметром около двух метров и была наполнена 10 т фреона под давлением 20 воздухов. В первой половине 70-ых годов XX века по окончании тщательного анализа фотографий, взятых с камеры, участники коллаборации, куда входили семь европейских лабораторий и приглашенные исследователи из Японии, США и СССР, нашли на них порядка много событий, где нейтрино вели себя как раз так, как было предсказано электрослабой теорией.

Но, открытым оставался еще вопрос с новыми частицами, но для этих опытов пока не хватало мощности ускорителей. Надежда была на новые проекты, такие как строившийся протонный суперсинхротрон (SPS), имевший 7 км в окружности.

Новый ускоритель начал работату во второй половине 70-ых годов двадцатого века и разрешал разгонять частицы до энергии на порядок большей, чем в первом протонном синхротроне. Показалась настоящая возможность, применяя ускоренные им пучки антипротонов и протонов, экспериментально заметить новые предсказанные теорией частицы. В опыте были задействованы все ускорительные автомобили ЦЕРНа: и прошлый синхротрон, и новый суперсинхротрон, и накопительные кольца.

Ветхий синхротрон служил для создания антипротонов и поставки исходного пучка частиц в новый ускоритель, суперсинхротрон — ускорял частицы до огромных энергий, а в накопительных кольцах эти пучки виделись и рождали множество частиц, среди которых были и те, каковые так жаждали заметить физики. Для этого грандиозного опыта были намерено выстроены два детектора, каковые и зарегистрировали рождение W- и Z-бозонов. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе в первой половине 80-ых годов XX века, превосходным образом подтвердило предсказания теории и так вдохновило научное сообщество, что беспрецедентно не так долго осталось ждать, уже через год, руководители и идеологи опыта Карло Руббиа и Симон ван дер Меер были удостоены Нобелевской премии в области физики.

Возможности

Следующий ускорительный проект ЦЕРНа — электрон-позитронный коллайдер (LEP), выстроенный во второй половине 80-ых годов XX века в особом туннеле длиной 27 км, разрешил весьма совершенно верно измерить кое-какие параметры элементарных частиц. В 2000 году его демонтировали, и сейчас в том же туннеле идет строительство нового, невиданного ускорительного комплекса — Громадного адронного коллайдера (Large Hadron Collider — LHC) с совокупностью на базе сверхпроводящих магнитов.

Это будет самый замечательный в мире ускоритель протонов и самая громадная сверхпроводящая установка. Она будет включать 1232 сверхпроводящих дипольных магнита, более 500 сверхпроводящих квадрупольных магнитов и более 4000 корректирующих магнитов разных типов. Всю эту конструкцию, длиной 27 км и весом 40 000 т, потребуется охладить до 1,9 К, другими словами до температуры, на 300 градусов ниже комнатной!

Возведение данной неповторимой инженерной конструкции идет полным ходом и по замыслу должно завершиться в 2007 году.

Параллельно для разных опытов физики готовят пять не меньше впечатляющих совокупностей детектирования, складывающихся из камер и тысяч счётчиков. В каждом коллективе по созданию и проектированию детекторов участвуют пара тысяч ученых из институтов и сотен лабораторий. Все это строят без преувеличения «всем миром».

К примеру, 52 квадрупольных магнита для коллайдера прибыли из Канады, огромные железные конструкции весом по 175 т для детектора CMS делают в Иране, а летом 2004 года первые девять из 84 мюонных камер были посланы из научного центра ОИЯИ в Дубне для установки на детекторе ATLAS, где они будут трудиться совместно с другими камерами, созданными в научных центрах Италии.

Глобальная Паутина

Масштабу проекта будет соответствовать и большой количество информации, которую нужно будет анализировать на протяжении опытов. Предполагается, что на новом коллайдере в ЦЕРНе в год будет производиться 12−14 петабайт данных, что эквивалентно 20 миллионам компакт-дисков!

Но, ученые, занимающиеся ядерной физикой, постоянно оказывались главными потребителями систем и инициаторами создания для автоматизации расчетов (другими словами вычислительных автомобилей), без которых вся их деятельность суть. Первый компьютер показался в ЦЕРНе уже во второй половине 50-ых годов двадцатого века. На изготовление этого лампового гиганта с выводом и бумажным вводом данных, которому на перемножение двух 40-битных чисел требовалось 300 микросекунд, у компании Ferranti Mercury ушло целых два года!

Через четыре года в ЦЕРН прибыла первая транзиcторная счётная машина компании IBM, которая уже разрешала подключаться прямо к детекторам и записывать эти на магнитную ленту. Последней ласточкой эры громадных вычислительных автомобилей стал суперкомпьютер CRAY, купленный ЦЕРНом во второй половине 80-ых годов двадцатого века.

К тому времени уже стали появляться персональные компьютеры, а связь между компьютерами вычислительных центров активно применялась для передачи файлов, электронной почты и удаленного доступа к вторым компьютерам. Это было здорово, но не хватает для действенного обмена данными и документами.

Мысль унифицированного представления информации в компьютерной сети появилась у научного сотрудника ЦЕРНа Тима Бернерса-Ли в конце 1989 года, а в 1990-м он и Роберт Кайлиау внесли предложение уже в полной мере работоспособный прототип таковой совокупности для доступа к документации компьютерного центра ЦЕРНа, справочной работе и местной новостной сети. Новая разработка включала три главных компонента: веб-страницы — представление данных в виде машинно-свободного гипертекста, другими словами текста, что может содержать ссылки на другие документы; веб-сервер — компьютер с доступом к сети, где размещаются веб-страницы; и веб-браузер — программа просмотра гипертекстовых документов на компьютере пользователя. Не смотря на то, что первоначально предполагалось применять изобретенную работу лишь в научного сообщества, авторы идеи без фальшивой скромности назвали собственный детище «Глобальной Паутиной» (World Wide Web) и были на удивление предусмотрительны!

В декабре 1991 года первый веб-сервер показался в Соединенных Штатах, в Стэнфордском центре линейных ускорителей. К концу 1993 года в мире насчитывалось приблизительно 500 веб-и веб серверов-документы составляли приблизительно 1 процентов информации, передаваемой по компьютерным сетям. Всего через год количество пользователей Глобальной Паутины достигло 10 миллионов, а число веб-серверов -10 000, причем 2000 из них уже были коммерческими.

В наши дни много миллионов визитёров интернета, а также домохозяйки и дети, каждый день просматривают миллиарды веб-документов, ищут сведения в поисковых совокупностях и делают приобретения в электронных магазинах.

Сеть для бозона Хиггса

А физики Европейского центра ядерных изучений, где был соткан первый кусок Глобальной Паутины, уже заняты новыми разработками и готовятся к новым опытам. В наше время главной вычислительный инструмент уже не суперкомпьютер, а «ферма» — целый комплекс замечательных многопроцессорных компьютеров, объединенных в кластеры.

По предварительным подсчетам на любой подготавливающийся в ЦЕРНе опыт потребуется кластер из тысячи двухпроцессорных компьютеров с частотой процессоров более 20 ГГц. Так как при работе на громадном коллайдере предстоит обрабатывать по 100−200 событий в секунду, каждое из которых будет содержать от нескольких мегабайт до гигабайта информации. Наряду с этим ожидаемые события так редки, что накапливать эти придется пара месяцев, в противном случае и лет.

Для анализа этого информационного потока предлагается применять новый подход, что вот уже пара лет целенаправленно разрабатывается научным сообществом — это новая разработка распределенных вычислений называющиеся Grid (что переводится как «сетка» либо «решетка»). Проект Grid предполагает создание стандартизованной общедоступной совокупности параллельной обработки данных для ответа задач значительно более сложных, чем несложная передача документов посредством веб-разработки.

Ответственный ход в развитии глобальной структуры Grid — скоростная передача информации. Рекорд тут в собственности линии связи между ЦЕРНом и Калифорнийским технологическим университетом: пересылка терабайта данных менее, чем за час (компакт-диск за 2,5 секунды), что приблизительно в 25 раз стремительнее стандартных скоростных соединений.

В то время, когда новые разработки распределенных вычислений, созданные для анализа данных в физике высоких энергий, будут испытаны и станут так же дешёвы, как WWW, это будет означать революцию в области глобального моделирования климата, сейсмологии и других прикладных областях. Тут уместно отыскать в памяти слова из статьи С. Г. Левеллина Смита, одного из председателей совета директоров ЦЕРНа: «Обстоятельство, по которой мы на данный момент имеем в собственном распоряжении компьютеры, а 100 лет назад не имели их, содержится не в том, что у нас внезапно показалась такая потребность. Это напрямую связано с открытиями фундаментальной физики, благодаря которым появилась современная электроника, с развитием математической логики и с потребностями ученых, занимавшихся ядерной физикой в 1930-е годы и искавших действенные методы подсчета частиц».

Но все же новые разработки — это лишь побочный продукт научных изучений, а основная задача — узнать ответ на очень ответственные вопросы об устройстве мироздания. Откуда появляется масса у частиц, и имеется ли она у таинственных нейтрино? Существует ли бозон Хиггса, и из-за чего появилась асимметрия между антивеществом и веществом?

Кроме того в случае если Большой адронный коллайдер не позволит ответов на все эти вопросы, он без сомнений поменяет отечественный взор на устройство Вселенной.

энергия и Масса

Электронвольт (эВ) — это энергия, которую получает частица c зарядом, равным заряду электрона, преодолевая разность потенциалов в 1 вольт. В современной физике элементарных частиц оперируют размерами в миллионы, триллионы и миллиарды электронвольт (МэВ, ГэВ и ТэВ), причем в этих единицах принято измерять не только энергии, но и массы частиц в соответствии со всем известной формулой E=mc2. К примеру, масса протона (как и антипротона) образовывает около 1 ГэВ.

Дабы в столкновении этих частиц появилась более массивная (к примеру, Z-бозон с массой 80 ГэВ), необходимо расширить их энергию, разогнав в ускорителе. В соответствии с расчетам новый строящийся ускоритель ЦЕРНа разрешит достигнуть энергий, достаточных для обнаружения бозона Хиггса, в случае если такой в действительности существует.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№26, декабрь 2004).

Случайные записи:

Властелин универа (Переозвучка)


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,