CERN: Орчлон ертөнцийн нууцыг тайлах шинжлэх ухааны төв

CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire - Европын Цөмийн Судалгааны Байгууллага) бол дэлхийн хамгийн том бөгөөд хүчирхэг бөөмийн физикийн лаборатори юм. 1954 онд Швейцарийн Женев хотын ойролцоо, Швейцарь-Францын хил дээр байгуулагдсан энэхүү байгууллага нь орчлон ертөнцийн үүслийн нууцыг тайлахаар зорьж байна.

Дэлхийн 2-р дайны дараа Европын улс орнууд шинжлэх ухааны салбарт хамтран ажиллах шаардлагатай байсан. Тэр үед Америк физикийн салбарт тэргүүлж байсан бөгөөд Европ хоцорч байлаа. Ингээд 12 орон нэгдэж CERN-ийг байгуулжээ. Өнөөдөр энд 100 гаруй улсын 17,000 орчим эрдэмтэн, инженерүүд хамтран ажилладаг.

CERN-ийн гол зорилго нь материйг бүрдүүлдэг хамгийн жижиг бөөмсийг судлах, орчлон ертөнц хэрхэн ажилладагийг ойлгох явдал юм. Бид харж байгаа бүх зүйл - галактикууд, одод, гаригууд, бидний бие махбод - бүгд жижигхэн бөөмсөөс бүрддэг. Эдгээр бөөмсийг ойлговол орчлон ертөнцийг ойлгоно гэсэн үг.

Large Hadron Collider (LHC) - Дэлхийн хамгийн том машин

CERN-ийн хамгийн алдартай төхөөрөмж бол Large Hadron Collider (LHC) буюу Том Адронуудын Мөргөлдүүлэгч юм.

LHC-ийн хэмжээ ба бүтэц

LHC нь 27 км урттай цагираг хэлбэртэй, Женев хотыг тойрсон газрын гадаргаас 100 метр гүнд байрладаг аварга том хонгил юм. Энэ урт нь Улаанбаатар хотыг нэг талаасаа нөгөө тал хүртэл дамжих урттай адил! Хонгил нь 3.8 метр өргөнтэй, дотор нь маш төвөгтэй төхөөрөмжүүд суурилуулагдсан.

Яагаад ийм том байх ёстой вэ? Учир нь бөөмсийг аль болох өндөр хурдтай болгохын тулд урт зам шаардлагатай. Бөөмс цагираг дотор эргэлдэж, эргэлт бүрт хурдаа нэмэгдүүлдэг. Ингээд олон мянган удаа эргэлдсэний дараа хамгийн өндөр хурдандаа хүрдэг.

LHC хэрхэн ажилладаг

LHC-ийн ажиллах зарчим нь ер бусын сонирхолтой:

1. Протон бэлтгэх: Хамгийн энгийн устөрөгчийн атомаас электроныг салгаж, протон гаргаж авдаг. Протон бол атомын цөмд байдаг эерэг цэнэгтэй жижигхэн бөөмс.

2. Хурдасгах: Эдгээр протонуудыг хоёр эсрэг чигт хоёр өөр хоолойгоор 27 км-ийн цагираг дотор явуулдаг. Хүчтэй цахилгаан орон ашиглан бөөмсүүдийг гэрлийн хурдны 99.9999991%-д хүртэл хурдасгадаг. Энэ бол секундэд 299,792 км орчим хурд юм - секундэд дэлхийг 7.5 удаа тойрох хурд!

3. Соронзон түгжээ: LHC-д 9,300 гаруй хүчтэй соронзон байдаг. Эдгээр соронзон нь протонуудыг цагираг хэлбэртэй замд барьж байдаг.

4. Хөргөх: Соронзонууд нь ердийн соронзон биш, супер дамжуулагч соронзон юм. Тэдгээр нь -271.3°C температурт ажилладаг. Энэ нь ертөнцийн хамгийн хүйтэн газар болох сансрын огторгуйгаас (-270°C) ч хүйтэн! Яагаад ийм хүйтэн байх ёстой вэ? Учир нь энэ температурт соронзон нь цахилгааны эсэргүүцэл огт үгүй болж, асар их хүчтэй соронзон орон үүсгэдэг.

5. Мөргөлдүүлэх: Хоёр эсрэг чиглэлд явж буй протонууд секундэд 11,000 удаа тойрч, эцэст нь тусгай цэгт мөргөлдөнө. Мөргөлдөх үед асар их энерги ялгардаг. Энэ энерги нь Том Тэсрэлтийн (Big Bang) дараах эхний микросекундуудад байсан нөхцлийг дахин бүтээнэ.

6. Илрүүлэх: Мөргөлдлийн үр дүнд үүссэн шинэ бөөмсүүдийг асар нарийн мэдрэгчүүд бүртгэнэ. Эдгээр мэдрэгч нь секундэд хэдэн зуун сая мөргөлдлийн мэдээллийг бүртгэж, зураг болгон хадгалдаг.

Өгөгдлийн асар их хэмжээ

LHC нь жилд 90 петабайт (90 сая гигабайт) өгөгдөл үүсгэдэг. Энэ нь Full HD кино 20 сая орчим эсвэл дэлхийн бүх номын сангийн агуулгатай тэнцэнэ. Энэ өгөгдлийг боловсруулахын тулд дэлхий даяар 170 орчим тооцоолох төвд тархаасан LHC Computing Grid ашигладаг.

Хиггсийн бөөмс - Зууны нээлт

2012 оны 7-р сарын 4-нд CERN-ийн эрдэмтэд дэлхийд зарлав: "Бид Хиггсийн бөөмсийг олсон!" Энэ нь физикийн хамгийн том нээлтүүдийн нэг байлаа.

Хиггсийн бөөмс гэж юу вэ?

Бүх зүйл бөөмсөөс бүрддэг гэдгийг бид мэднэ. Гэхдээ нэг том асуулт байсан: Яагаад зарим бөөмс хүнд, зарим нь хөнгөн байдаг вэ? Яагаад бөөмсүүд массатай байдаг вэ?

1964 онд Питер Хиггс болон бусад эрдэмтэд онол дэвшүүлэв: Орон зай бүхэлдээ үл үзэгдэх "орноор" дүүрэн байдаг. Энэ орныг одоо Хиггсийн орон гэж нэрлэдэг. Бөөмс энэ орноор дамжин явахдаа эсэргүүцэлтэй тулгардаг - яг л ус дотор явахад удаан явдагтай адил. Энэ эсэргүүцэл нь бөөмсүүдэд масс өгдөг.

Хиггсийн орон байдаг гэдгийг батлахын тулд Хиггсийн бөөмсийг олох хэрэгтэй байв. Учир нь энэ бөөмс бол Хиггсийн орны "ул мөр" юм. Хэрэв усан дээгүүр алхахад усны дусал үсрэх шиг, Хиггсийн орныг "шүргэх" үед Хиггсийн бөөмс үүснэ.

Яагаад олоход хэцүү байсан бэ?

Хиггсийн бөөмс нь:

• Маш хүнд (протоноос 130 дахин хүнд)

• Маш түр зуур оршдог (үүссэнээсээ хойш 0.0000000000000000000001 секундын дараа задардаг)

• Маш ховор (хэдэн зуун сая мөргөлдлийн дараа л нэг удаа үүснэ)

Тиймээс эрдэмтэд 50 жил хайж, тэрбум тэрбум удаа мөргөлдөл хийсний эцэст олсон. LHC дээр 2011-2012 онд 600 триллион мөргөлдөл хийж, дөнгөж хэдхэн зуун Хиггсийн бөөмсийг олжээ.

Яагаад ийм чухал вэ?

Хиггсийн бөөмсийг олсноор:

• Материйн массын үүслийг тайлбарлав

• Физикийн "Стандарт загвар" (Standard Model) бүрэн болов

• Орчлон ертөнцийн анхны микросекундуудад юу болсныг ойлгов

• Одод, гаригууд, бид хэрхэн бий болсныг ойлгов

Энэхүү нээлт нь Питер Хиггс болон Франсуа Энглертэд 2013 оны Нобелийн шагнал хүртээсэн.

Антиматери - Орчлон ертөнцийн хамгийн хачин зүйл

CERN-д хийгдэж буй өөр нэг гайхалтай судалгаа бол антиматерийн судалгаа юм.

Антиматери гэж юу вэ?

Материйн бөөм бүр өөрийн "эсрэг хувилбартай" байдаг. Жишээ нь:

• Электрон нь сөрөг цэнэгтэй → Позитрон (антиэлектрон) нь эерэг цэнэгтэй

• Протон нь эерэг цэнэгтэй → Антипротон нь сөрөг цэнэгтэй

Материй ба антиматери хоорондоо уулзахад бүрэн устаж, цэвэр энерги болдог. Энэ нь E=mc² томъёоны төгс жишээ юм.

Орчлон ертөнцийн хамгийн том нууц

Том Тэсрэлт үүсэхэд материй ба антиматери тэнцүү хэмжээгээр үүссэн байх ёстой. Гэхдээ өнөөдөр бид харж байгаа орчлон ертөнц бараг л зөвхөн материйгаас бүрдсэн. Антиматери хаашаа алга болсон бэ? Энэ бол физикийн хамгийн том нууцуудын нэг.

CERN-д антипротон үүсгэж, тэдгээрийг устөрөгчийн антиатом болгодог. Дараа нь энгийн атом ба антиатомыг харьцуулж, жижигхэн ялгаа олохыг оролддог. Энэ жижигхэн ялгаа нь орчлон ертөнцөд материй яагаад давамгайлсныг тайлбарлаж магадгүй.

Антиматерийн хэрэглээ

Антиматери бол зөвхөн онолын физикийн сэдэв биш:

• PET сканер (Positron Emission Tomography) нь эмнэлэгт өдөр бүр хэрэглэгддэг, позитрон ашигладаг

World Wide Web - CERN-ээс төрсөн ирээдүй

Өнөөдөр бид өдөр бүр ашигладаг интернет яг CERN-д төрсөн гэдгийг та мэдэх үү?

Асуудал

1980-аад оны сүүлээр CERN-д мянга мянган эрдэмтэд өөр өөр компьютер, өөр өөр систем ашиглан ажиллаж байв. Мэдээлэл солилцох, хамтран ажиллах нь маш хэцүү байсан. Файлуудыг дискэнд хуулж, гараар өгч байв.

Шийдэл

1989 онд CERN-ийн компьютерийн эрдэмтэн Тим Бернерс-Ли гайхалтай санаа гаргав: Бүх мэдээллийг холбосон дэлхийн хэмжээний сүлжээ. Тэрээр:

• HTTP (HyperText Transfer Protocol) - мэдээллийг дамжуулах протокол

• HTML (HyperText Markup Language) - вэб хуудас бүтээх хэл

• URL (Uniform Resource Locator) - вэб хаяг

• Дэлхийн анхны вэб браузер

• Дэлхийн анхны вэб сервер

Анхны вэб сайт нь 1991 оны 8-р сарын 6-нд нээгдсэн. Энэ нь info.cern.ch хаягтай байсан бөгөөд World Wide Web гэж юу болохыг тайлбарласан энгийн хуудас байв.

Бэлэг

Хамгийн гайхалтай нь: CERN болон Тим Бернерс-Ли энэ технологийг үнэгүй, бүх хүнд нээлттэй тавьсан. Тэд патент авч, баян болох боломжтой байсан. Гэвч тэд "энэ нь хүн төрөлхтний хөгжилд туслах ёстой" гэж шийдсэн.

Өнөөдөр 5 тэрбум хүн интернет хэрэглэдэг. Энэ бүгд CERN-ийн санаа буюу "нээлттэй шинжлэх ухаан, нээлттэй мэдлэг" гэсэн үзэл санаанаас эхэлсэн.

CERN-ийн бусад технологи

Эмнэлгийн технологи

CERN-ийн хөгжүүлсэн бөөмс илрүүлэх технологи өнөөдөр:

• PET сканер - хорт хавдрыг эрт илрүүлдэг

• Протоны эмчилгээ - хорт хавдрыг үл ажиллагдал багатай эмчилдэг

• Изотопын үйлдвэрлэл - эмнэлгийн оношлогоонд хэрэглэгдэх

Материал судлал

CERN-ийн супер дамжуулагч технологи:

• MRI сканер

• Маглев галт тэрэг

• Эрчим хүчний дамжуулалт

Өгөгдлийн технологи

CERN-д хөгжүүлсэн өгөгдөл боловсруулалтын технологи:

• Том өгөгдлийн шинжилгээ (Big Data)

• Үүлэн тооцоолол (Cloud Computing)

• Машин сургалт (Machine Learning)

Одоогийн болон ирээдүйн төслүүд

High-Luminosity LHC (HL-LHC)

2029 он гэхэд LHC-г томоохон өргөтгөл хийнэ:

• Мөргөлдлийн тоог 10 дахин нэмнэ

• Өгөгдлийг 10 дахин ихээр цуглуулна

• Ховор үзэгдлүүдийг илүү сайн судална

Future Circular Collider (FCC)

2040-өөд оны төлөвлөгөө:

• 100 км урттай (одоогийн LHC-с 4 дахин урт)

• Энергийг 7 дахин нэмнэ

• Шинэ бөөмс, шинэ физикийн хууль олно гэж найдаж байна

Хар материй, хар энергийн судалгаа

Орчлон ертөнцийн 95% нь хар материй ба хар энергигээс бүрддэг гэдгийг бид мэднэ. Гэхдээ тэдгээр юу болохыг мэдэхгүй байна. CERN энэ нууцыг тайлахыг оролдож байна.

Монголын оюутнуудад

CERN нь жил бүр дэлхийн өнцөг булан бүрээс оюутнуудыг урьдаг:

• Summer Student Programme - зуны сургалт (2-3 сар)

• Technical Student Programme - техникийн сургалт (4-12 сар)

• Doctoral Student Programme - докторын оюутнуудад зориулсан

Мөн CERN-ийн виртуал аялал, онлайн лекцүүд үнэгүй үзэж болно.

Илүү ихийг мэдэхийг хүсвэл:

• Албан ёсны сайт: home.cern

• Виртуал аялал: cds.cern.ch

• Видео лекцүүд: YouTube дээр "CERN" хайх

CERN бол ирээдүй бүтээж буй газар. Магадгүй та ч нэг өдөр тэнд ажиллах болов уу?