Заряжай и ускоряй

На следующей неделе, согласно расписанию работы CERN, в Большом адронном коллайдере начнутся столкновения тяжелых ионов с протонами. Можно даже шуточно оценить, что ускоритель превратится в сверхвысокотехнологичный дробовик, калибр которого (количество «пуль», которые можно «выплавить» из английского фунта металла) равен 131326099583011057692307. Это будут последние ионы, с которыми БАК проведет эксперименты до 2018 года. По этому случаю мы сделали для вас тест на знание того, как работает самый большой в мире ускоритель.

1. Обычно на БАК сталкивают протоны с протонами. В скольких государствах частицы успевают побывать, пролетев один круг по главному кольцу Большого адронного коллайдера?

1. [] В одном
2. [] В двух
3. [] В трех

Правильно!

Кольцо самого большого ускорителя в мире имеет протяженность 27 километров и располагается на территории Франции и Швейцарии. Если одна из стран введет визы для сгустков протонов, то за одну секунду потребуется выписывать больше 25 миллионов подобных разрешений.

Неправильно!

Кольцо самого большого ускорителя в мире имеет протяженность 27 километров и располагается на территории Франции и Швейцарии. Если одна из стран введет визы для сгустков протонов, то за одну секунду потребуется выписывать больше 25 миллионов подобных разрешений.

2. Что ускоряет протоны в Большом адронном коллайдере?

1. [] Поле сверхпроводящих магнитов и резонаторов
2. [] Электростатическое поле
3. [] Пучки рентгеновского излучения
4. [] Их не нужно ускорять, они рождаются из радиоактивных изотопов уже имея энергию в 6,5 тераэлектронвольта

Правильно!

Для придания центростремительного ускорения протону, двигающемуся на 99,999999 процента скорости света, используются мощные сверхпроводящие магниты, охлаждаемые до 1,9 кельвина (-271,25 градуса Цельсия) сверхтекучим жидким гелием. Один такой магнит может создавать поле в 7,7 тесла (в 250 тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли). Для ускорения протонов в продольном направлении используются сверхпроводящие радиочастотные резонаторы (RF cavities), в которых создается переменное электромагнитное поле.

Неправильно!

Для придания центростремительного ускорения протону, двигающемуся на 99,999999 процента скорости света, используются мощные сверхпроводящие магниты, охлаждаемые до 1,9 кельвина (-271,25 градуса Цельсия) сверхтекучим жидким гелием. Один такой магнит может создавать поле в 7,7 тесла (в 250 тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли). Для ускорения протонов в продольном направлении используются сверхпроводящие радиочастотные резонаторы (RF cavities), в которых создается переменное электромагнитное поле.

3. После ускорения физики сталкивают пару сфокусированных встречных пучков протонов в четырех узлах, где располагаются главные эксперименты БАК. Пусть в каждом сгустке пучка содержатся 100 миллиардов протонов, сжатых до диаметра в 16 микрон. Какое количество прямых протон-протонных столкновений можно ожидать от пары сгустков?

1. [] Миллионы
2. [] Тысячи
3. [] Десятки
4. [] Ни одного

Правильно!

Диаметр одного протона составляет чуть меньше одного фемтометра. Поэтому на масштабе протон-протонных столкновений даже столь крепко сжатые пучки покажутся сильно разреженными. Аккуратный расчет подсказывает, что столкновение заранее выбранного протона одного пучка с протоном другого пучка произойдет в одном случае из 2,5 ×10²⁰. Но поскольку протонов много (10¹¹), можно ожидать нескольких десятков столкновений (10²²/2,5 ×10²⁰).

Неправильно!

Диаметр одного протона составляет чуть меньше одного фемтометра. Поэтому на масштабе протон-протонных столкновений даже столь крепко сжатые пучки покажутся сильно разреженными. Аккуратный расчет подсказывает, что столкновение заранее выбранного протона одного пучка с протоном другого пучка произойдет в одном случае из 2,5 ×10²⁰. Но поскольку протонов много (10¹¹), можно ожидать нескольких десятков столкновений (10²²/2,5 ×10²⁰).

4. Какая частица не может родиться в таких столкновениях?

1. [] Нейтрино
2. [] Тяжелый W-бозон
3. [] Тау-частица, сверхтяжелый собрат электрона
4. [] Все ответы неверны

Правильно!

При столкновениях протонов в LHC рождаются все возможные частицы — и адроны, из которых в основном состоит наша материя, и лептоны — нейтрино, электроны, мюоны, тау, и бозоны — переносчики взаимодействий. Именно это и позволило искать и открывать на ускорителе новые частицы: тетракварки, пентакварки и бозон Хиггса.

Неправильно!

При столкновениях протонов в LHC рождаются все возможные частицы — и адроны, из которых в основном состоит наша материя, и лептоны — нейтрино, электроны, мюоны, тау, и бозоны — переносчики взаимодействий. Именно это и позволило искать и открывать на ускорителе новые частицы: тетракварки, пентакварки и бозон Хиггса.

5. Простой вопрос. А как физики определяют, сколько столкновений произошло и что в них родилось?

1. [] С помощью камер с пересыщенным паром
2. [] С помощью сцинтилляционных, пиксельных детекторов и калориметров
3. [] Подсчитывая вспышки на сцинтилляционных экранах
4. [] С помощью пузырьковых камер

Правильно!

В БАК используются сложные многослойные детекторы, сочетающие в себе сцинтилляторы, пиксельные детекторы, калориметры и множество других приборов. Они позволяют не только зафиксировать факт столкновения и рождения частиц, но и определить их энергии и траектории разлета. Анализ этих данных позволяет выяснить природу и строение этих объектов. Остальные варианты ответов — методики детектирования частиц прошлого столетия.

Неправильно!

В БАК используются сложные многослойные детекторы, сочетающие в себе сцинтилляторы, пиксельные детекторы, калориметры и множество других приборов. Они позволяют не только зафиксировать факт столкновения и рождения частиц, но и определить их энергии и траектории разлета. Анализ этих данных позволяет выяснить природу и строение этих объектов. Остальные варианты ответов — методики детектирования частиц прошлого столетия.

6. Какой из экспериментов БАК (и их детекторов) самый крупный?

1. [] Alice
2. [] ATLAS
3. [] CMS
4. [] LHCb

Правильно!

Самый крупный эксперимент БАК — ATLAS. Как и CMS, он занимается анализом частиц, рождающихся в протон-протонных столкновениях. Но если ключевым преимуществом CMS является мощный магнит, позволяющий быстро наращивать отличия в траекториях частиц, то ATLAS берет свое размерами. В диаметре детектор насчитывает 25 метров, в длину — 46 метров. Коллаборация ATLAS включает в себя более трех тысяч ученых.

Неправильно!

Самый крупный эксперимент БАК — ATLAS. Как и CMS, он занимается анализом частиц, рождающихся в протон-протонных столкновениях. Но если ключевым преимуществом CMS является мощный магнит, позволяющий быстро наращивать отличия в траекториях частиц, то ATLAS берет свое размерами. В диаметре детектор насчитывает 25 метров, в длину — 46 метров. Коллаборация ATLAS включает в себя более трех тысяч ученых.

7. Перейдем к событиям грядущей недели. А какие тяжелые ионы будут сталкивать в LHC?

1. [] Урана-232
2. [] Иода-131
3. [] Свинца-208
4. [] Цезия-137

Правильно!

Физики используют в своих экспериментах свинец-208, поэтому мы и сравнили LHC с дробовиком. Источником ионов является 2-сантиметровый моноизотопный свинцовый цилиндр. Его нагревают до 500 градусов Цельсия, испаряя часть атомов. После этого частицы ионизируют и ускоряют в магнитном поле.

Неправильно!

Физики используют в своих экспериментах свинец-208, поэтому мы и сравнили LHC с дробовиком. Источником ионов является 2-сантиметровый моноизотопный свинцовый цилиндр. Его нагревают до 500 градусов Цельсия, испаряя часть атомов. После этого частицы ионизируют и ускоряют в магнитном поле.

8. Столкновение тяжелых ионов приводит к образованию сверхплотной материи — кварк-глюонной плазмы. По словам физиков, она имитирует состояние ранней Вселенной. А насколько ранней?

1. [] Миллионные доли секунды после Большого Взрыва
2. [] Тысячные доли секунды после Большого Взрыва
3. [] Секунды после Большого Взрыва
4. [] Минуты после Большого Взрыва

Правильно!

В согласии с представлением физиков, в первые несколько миллионных долей секунды после Большого Взрыва температура Вселенной превышала две тысячи миллиардов кельвинов. В таких условиях кварки и глюоны, из которых состоят нуклоны, больше не сдерживаются внутри протонов и формируют общее облако — кварк-глюонную плазму. Уже спустя 40 миллисекунд образовались первые протоны и нейтроны, а через три минуты появились первые легкие ядра.

Неправильно!

В согласии с представлением физиков, в первые несколько миллионных долей секунды после Большого Взрыва температура Вселенной превышала две тысячи миллиардов кельвинов. В таких условиях кварки и глюоны, из которых состоят нуклоны, больше не сдерживаются внутри протонов и формируют общее облако — кварк-глюонную плазму. Уже спустя 40 миллисекунд образовались первые протоны и нейтроны, а через три минуты появились первые легкие ядра.

Поздравляем, ваш результат: из

Экскурсант

Наверное, вы не так уж и много знаете о Большом адронном коллайдере. Мы вам завидуем. Почитайте об этом грандиозном проекте у нас в разделе «Второй сезон Коллайдера».

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат: из

Младший инженер

Что-то вы о Большом адронном коллайдере точно знаете. Искренне порекомендуем посмотреть отличный документальный фильм Марка Левинсона «Страсти по частицам» (Particle Fever, 2013). После него вы, может быть, и не пройдете наш тест на 8/8, но по крайней мере разберетесь с тем, чем занимаются на БАК.

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат: из

Физик-теоретик

Похоже, вы можете отличить протон от ядра свинца и магнитное поле от электрического. А уж где там находится коллайдер и сколько в нем протонов — это пусть экспериментаторы помнят.

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат: из

Специалист по элементарным частицам

Вы неплохо разбираетесь в происходящем в самом большом ускорителе в мире. А вы, случаем, не состоите в одной из научных коллабораций LHC?

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат: из

Фабиола Джианотти

Это, кстати, директор CERN. Но вы ее, наверно, и без нас знаете.

Поделиться результатами