Մեծ հադրոնային բախիչ

Մեծ հադրոնային բախիչը (ՄՀԲ) (անգլերեն՝ Large Hadron Collider (LHC)) աշխարհի ամենամեծ և ամենաբարձր էներգիայով մասնիկների արագացուցիչն է, որն ստեղծվել է երկու հակառակ լիցքավորված մասնիկների փնջերն իրար բախելու համար։ Մասնիկները կամ 7 ՏէՎ (տեռա-էլեկտրոն-Վոլտ) էներգիայով պրոտոններ են կամ 574 ՏէՎ էներգիայով կապարի միջուկներ։ Հադրոն նշանակում է քվարկներից բաղկացած մասնիկ։ Բախիչը նախատեսված է պատասխանելու ֆիզիկայի ամենահիմնական հարցերին, այն հույսով, որ կօգնի հասկանալ բնության ամենախոր օրենքները։ ՄՀԲ-ն գտնվում է 27 կմ շրջանագծով մի թունելում, որը գտնվում է մինչև 175 մ Ֆրանսաշվեյցարական սահմանի ներքո, Շվեյցարիայի Ժնև քաղաքի մոտ։

Մեծ հադրոնային բախիչը կառուցվել է Միջուկային Հետազոտությունների Եվրոպական Կենտրոնի միջոցով՝ բարձր էներգիաների ֆիզիկայի տարբեր կանխագուշակումները ստուգելու համար, ինչպիսին է ենթադրյալ Հիգգսի բոզոնի գոյությունը։ Հիգգսի բոզոնը հայտնաբերվեց 2012 թ.։

2008 թվականի սեպտեմբերի 10-ին, առաջին անգամ պրոտոնի ճառագայթները հաջող կերպով շրջանառվեցին ՄՀԲ-ի հիմնական օղակում, բայց ինն օր հետո երկու գերհաղորդիչ թեքված մագնիսների միջև լուրջ անսարքության պատճառով գործողությունները դադարեցվեցին։ Հանգեցված վնասի նորոգումը և լրացուցիչ անվտանգության հատկությունների տեղադրումը տևեց ավելի քան մեկ տարի։

Աշխատանքի սկզբունքը

Նախնական արագացուցիչ
Առաջին հերթին պետք է ստեղծել տարրական մասնիկներ և արագացնել դրանք մինչև մի որոշակի էներգիա։ Այս ամենը կատարվում է փոքր նախնական արագացուցչում, որը կազմում է մեծ արագացուցչի բաղկացուցիչ մասը։ Էլեկտրոններն ու պրոտոնները ստանում են սովորական նյութից՝ իոնիզացիայի, էլեկտրական դաշտի կամ այլ միջոցներով։ էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ մասնիկները ձգվում, արագանում և մղվում են փոքր սինքրոտրոն, որը կոչվում է կուտակիչ օղակ։ Այստեղ մասնիկները կուտակվում են մինչև անհրաժեշտ խտություն, այնուհետև մղվում են հիմնական արագացուցիչ, որտեղ նրանցով արվում են փորձեր, իսկ նախնական արագացուցչում նորից սկսում են հավաքվել մասնիկներ։ Յուրաքանչյուր այսպիսի ցիկլ կարող է տևել մի քանի ժամից մինչև մի քանի օր։

Եթե անհրաժեշտ է կատարել գիտափորձ այնպիսի մասնիկներով, որոնք գոյություն չունեն սովորական նյութում (օրինակ՝ հակամասնիկներ), ապա սխեման բարդանում է։ Սկզբում վերը նշված եղանակով ստանում են պրոտոններ, այնուհետև պրոտոնների փունջն ուղղվում է հատուկ փոխարկիչ թիրախի վրա։ Թիրախի միջուկների հետ պրոտոնների բախումից առաջանում են բազմաթիվ մասնիկներ, որոնց թվում կան նաև հակապրոտոններ։ Մագնիսական դաշտերի օգնությամբ այդ մասնիկներն առանձնացվում և ուղարկվում են կուտակիչ օղակ։

Փնջի կառավարման համակարգ, թեքող մագնիսներ 
Երբ ֆիզիկոսները խոսում են արագացուցչում մասնիկի շարժման մասին, մասնիկներին տալիս են կոլեկտիվ անուն՝ մասնիկների փունջ։ Այդ փունջը ցրված չէ ողջ խողովակի երկայնքով, այլ հավաքված է առանձին թանձրուկների մեջ։ Սովորաբար թանձրուկն իրենից ներկայացնում է երկար (մի քանի սմ) և բարակ (տասնյակ միկրոններ) «ասեղիկ», բաղկացած իրար մոտ թռչող մասնիկներից։

Ըստ Նյուտոնի առաջին օրենքի՝ ազատ վիճակում գտնվող մասնիկները ձգտում են շարժվել ուղիղ գծով, հետևաբար նրանց օղակաձև արագացուցչում պահելու համար անհրաժեշտ է մագնիսական դաշտի օգնությամբ թեքել մասնիկների հետագիծը։ Այդ նպատակով արագացուցչային օղակի երկայնքով իրարից որոշակի հեռավորությունների վրա տեղադրվում են հատուկ թեքող մագնիսներ։ Այդ մագնիսներից յուրաքանչյուրում մասնիկները շեղվում են փոքր անկյան տակ, բայց մի մագնիսից մյուսն ընկած տարածությունը անցնում են ուղիղ գծով։ Հենց այս ուղիղ հատվածներում էլ տեղադրված են մնացյալ մեխանիզմները։ Ինչքան մեծ է մասնիկների էներգիան, այնքան դժվար է նրանց թեքելը, հետևաբար այդքան ավելի ուժեղ մագնիսներ են հարկավոր։ Մեծ հադրոնային բախիչում օգտագործվում են 8 Տլ մագնիսական ինդուկցիայով թեքող մագնիսներ։ Այդքան ուժեղ դաշտ հնարավոր է լինում ստանալ միայն գերհաղորդիչ էլեկտրոմագնիսներում և շատ ցածր ջերմաստիճանների դեպքում։ Արդյունքում ողջ համակարգը անհրաժեշտ է լինում պահել 2 Կելվինից ցածր ջերմաստիճանում։ Սա ևս մեկ անգամ ընդգծում է, որ արագացուցչային օղակը ոչ թե հասարակ մագնիսական դաշտով խողովակ է, այլ բարդագույն տեխնիկական կոնստրուկցիա։ Թեքող մագնիսներում մագնիսական դաշտը անհամասեռ է, այն ունի այնպիսի բաշխում, որ հնարավորություն է տալիս փոքր-ինչ շեղված մասնիկներին վերադարձնել ուղեծիր։

Փնջի վթարային ելք և կառավարում 
Չնայած նրան, որ փունջը շատ մեծ զանգված չունի (գումարային կշիռը սովորաբար կազմում է նանոգրամներ), նրանում կարող է կուտակված լինել հսկայական կինետիկ էներգիա։ Օրինակ ՄՀԲ-ի պրոտոնային փունջը ունի գրեթե նույն էներգիան, ինչ թռչող ռեակտիվ ինքնաթիռը։ Եթե կորցվի կառավարումը, ապա այն կարող է պատռել վակուումային խցիկի պատը, արագացուցչի մեխանիզմները և նույնիսկ մի քանի մետրանոց բետոնային պատերը։ Այդ իսկ պատճառով ղեկավարման համակարգը շատ կարևոր է արագացուցչի անվտանգ աշխատանքի համար։
Ղեկավարման համակարգը իրական ժամանակի տիրույթում ղեկավարում է վակուումային խողովակում փնջի դիրքը։ Եթե այն փոքր-ինչ շեղվում է խողովակի առանցքից, մագնիսական դաշտերը նրան ետ են վերադարձնում։ Իսկ եթե շեղումը դառնում է կրիտիկական, ապա հատուկ, շատ ուժեղ մագնիսը կտրուկ միանում է և դուրս է բերում փունջն արագացուցչից հատուկ վթարային ելքով, որտեղ ահռելի բետոնե թիրախը իր վրա է վերցնում փնջի ողջ էներգիան։

Արագացնող համակարգ 
Երբ մասնիկները նախնական արագացուցչից ներարկվում են հիմնական, նրանք դեռ ունենում են պահանջվածից փոքր էներգիա և նրանց պետք է արագացնել։ Դա կատարվում է հատուկ արագացնող սեկցիայում, որը կոչվում է կլիստրոն։ Կլիստրոնը դա բարդ կառուցվածքով վակուումային խցիկ է, որում գրգռվում է հզոր կանգուն էլեկտրամագնիսական ալիք, որի հաճախությունն ու փուլը մանրակրկտորեն համաձայնեցվում է թռչող թանձրուկների հետ։ Երբ հերթական թանձրուկը մտնում է արագացնող սեկցիա, ուժեղ էլեկտրական դաշտը նրան հրում է առաջ։

Մագնիսական ոսպնյակներ 
Փնջում գտնվող մասնիկները ունեն համանուն լիցքեր, որի հետևանքով միմյանց վանում են, արդյունքում փունջը ձգտում է ցրվել ուղղահայաց հարթության մեջ։ Այս ցրումը կանխելու համար անհրաժեշտ է լինում անընդհատ ֆոկուսացնել փունջը։ Այդ գործն անում են հատուկ քվադրոպոլ մագնիսները՝ տեղադրված օղակի երկայնքով, որոնց նաև անվանում են մագնիսական լինզաներ։ Այդպիսի մագնիսների ամենագլխավոր զույգը տեղադրված է հակադիր փնջերի գրանցիչ մտնելուց առաջ, որոնց անվանում են եզրափակիչ քվադրոպոլներ։ Հենց այդտեղ է, որ փնջերը պետք է բախվեն՝ առաջացնելով նոր գերծանր մասնիկներ։ Ինչքան ուժեղ են ֆոկուսացված մասնիկները բախման կետին, այնքան ավելի մեծ է բախման հավանականությունը։

Աղբյուրներ 

Մասնիկների արագացուցիչներ