Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.
Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.
Амбициозный проект человечества
Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.
Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.
Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения прежнего ускорителя элементарных частиц - большого электрон-позитронного коллайдера.
Зачем нужен большой адронный коллайдер
Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.
Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.
Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и звёздного пространства.
Бозон Хиггса
В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.
Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.
А открывшиеся управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.
Как он работает
Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.
Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.
На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.
Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная для достижения поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.
Цель оправдывает средства
Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.
Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились Освоило человечество металлургию - здравствуйте, пушки и ружья!
Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.
Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос "зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас" на самом деле - не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.
Вопросы, на которые не отвечают
Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает...
Опасения научных коллег
Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.
Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков - всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?
Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере...
Информационная диктатура
Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.
Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность - делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.
Большой адронный коллайдер самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц – , испытания которого идут в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), еще до своего пуска стал предметом судебного иска. Кто и почему судился с учеными?
Не судите большой адронный коллайдер… Жители штата Гавайи Уолтер Вагнер и Луис Санчо обратились в федеральный окружной суд Гонолулу с иском против ЦЕРНа, а также американских участников проекта – Министерства энергетики, Национального научного фонда и Национальной лаборатории ускорителей имени Э. Ферми вот по какой причине.
⦳⦳⦳⦳⦳
Американские обыватели опасались, что столкновения имеющих огромную энергию субатомных частиц, которые будут проводиться в ускорителе, чтобы имитировать события, происходившие во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва, могут создать объекты, угрожающие существованию Земли .
Большой адронный коллайдер в Церне. В рамке – моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS
Опасность, по мнению истцов, представляют в первую очередь так называемые черные дыры – физические объекты, которые могут поглотить часть объектов на нашей планете – например, какой-нибудь крупный город.
Несмотря на то что иск поступил в суд в начале апреля 2008 года, специалисты вовсе не отнеслись к нему как к первоапрельской шутке.
А устроили 6 апреля в Центре ядерных исследований день открытых дверей, пригласив на экскурсию по ускорителю представителей общественности, журналистов, студентов и школьников, чтобы те не только смогли своими глазами увидеть уникальный научный инструмент, но и получить исчерпывающие ответы на все интересующие их вопросы.
Прежде всего, конечно, организаторы проекта постарались убедить посетителей в том, что БАК никак не может стать виновником «конца света».
Да, находящийся в кольцевом туннеле с длиной окружности в 27 км коллайдер (от англ. collide – «сталкиваться») способен разгонять протонные пучки и сталкивать их с энергией до 14 тераэлектронвольт 40 млн раз в секунду.
Физики полагают, что при этом можно будет воссоздать условия, которые возникли спустя одну триллионную долю секунды после Большого Взрыва, и таким образом получить ценную информацию о самом начале существования Вселенной.
Большой адронный коллайдер и черная дыра
Но вот относительно того, что при этом возникнет черная дыра или вообще неизвестно что, представитель ЦЕРНа Джеймс Джилльс высказал большие сомнения. И не только потому, что оценка безопасности коллайдера постоянно проводится теоретиками, но и исходя просто из практики.
«Важным аргументом в пользу того, что эксперименты ЦЕРНа безопасны, является уже само существование Земли, – сказал он.
– Наша планета постоянно подвергается воздействию потоков космического излучения, энергия которых не уступает, а зачастую и превосходит церновские, – и до сих пор не уничтожена ни черной дырой, ни иными причинами.
Между тем, как мы подсчитали, за время существования Вселенной природой выполнено по меньшей мере 1031 программ, подобных той, что мы только собираемся осуществить»…
Не видит он особой опасности и в возможности возникновения неконтролируемой реакции аннигиляции с участием античастиц, которые возникнут в результате экспериментов.
«Антивещество в ЦЕРНе действительно производят, – подтвердил ученый в интервью журналу New Scientist.
– Однако тех его крох, что можно искусственно создать на Земле, не хватило бы даже на самую маленькую бомбу.
Хранить же и накапливать антивещество исключительно трудно (а некоторые его виды – вообще невозможно)»…
Большой адронный коллайдер и бозон
Поиски бозона. Кстати, тот же журнал писал, что российские специалисты – профессор Ирина Арефьева и доктор физико-математических наук Игорь Волович из Математического института имени Стеклова в Москве – полагают, что масштабный эксперимент в ЦЕРНе может привести и к появлению первой… машины времени в мире.
Я попросил прокомментировать это сообщение профессора Ирину Ярославовну Арефьеву. И вот что она рассказала:
«Мы все еще довольно мало знаем об устройстве окружающего нас мира. Помните, древние греки полагали, что все объекты состоят из атомов, что в переводе с греческого означает “неделимый”.
Однако со временем выяснилось, что и сами атомы имеют довольно сложное устройство, состоят из электронов, протонов и нейтронов. В первой половине XX века вдруг оказалось, что те же электроны с протонами и нейтронами в свою очередь могут делиться на ряд частиц.
Поначалу их опрометчиво назвали элементарными. Однако к настоящему времени выясняется, что и многие из этих так называемых элементарных частиц могут в свою очередь делиться…
В общем, когда теоретики попытались свести все полученные знания в рамках так называемой Стандартной модели, то оказалось, что центральным ее звеном, по некоторым данным, являются хиггс-бозоны».
Загадочная частица получила свое название по имени профессора Питера Хиггса из Эдинбургского университета. В отличие от профессора Хиггинса из известного мьюзикла, он занимался не обучением правильному произношению симпатичных девушек, а познанием законов микромира.
И еще в 60-х годах прошлого столетия сделал такое предположение: «Вселенная вовсе не пуста, как нам кажется.
Все ее пространство заполнено некоей тягучей субстанцией, через которую осуществляется, например, гравитационное взаимодействие между небесными телами, начиная от частиц, атомов и молекул и кончая планетами, звездами и галактиками».
Говоря совсем уж попросту, П. Хиггс предложил вернуться к идее «всемирного эфира», которая однажды была уж отвергнута. Но поскольку физики, как и прочие люди, не любят сознаваться в своих ошибках, то новую-старую субстанцию теперь называют «полем Хиггса».
И ныне считается, что именно оно, это силовое поле, придает ядерным частицам массу. А их взаимное притяжение обеспечивается носителем гравитации, который вначале было назвали гравитоном, а теперь – хиггс-бозоном.
В 2000 году физикам показалось, что они, наконец, «поймали» бозон Хиггса. Однако серия экспериментов, предпринятых для проверки первого эксперимента, показала, что бозон снова ускользнул. Тем не менее многие ученые уверены, что частица все-таки существует.
И чтобы поймать ее, надо просто построить более надежные ловушки, создать еще более мощные ускорители. Один из самых грандиозных приборов человечества всеобщими усилиями был построен в ЦЕРНе близ Женевы.
Впрочем, ловят бозон Хиггса не только для того, чтобы убедиться в справедливости предвидения ученых, найти еще одного кандидата на роль «первокирпичика Вселенной».
«Есть, в частности, и экзотические предположения по поводу устройства Вселенной,
– продолжала свой рассказ профессор И.Я. Арефьева.
– Традиционная теория говорит о том, что мы живем в четырехмерном мире
– три пространственные координаты плюс время.
Большой адронный коллайдер теория измерений
Но есть гипотезы предполагающие, что на самом деле измерений больше – шесть или десять, а то и больше. В этих измерениях сила гравитации может быть существенно выше, чем привычное нам g.
А гравитация, согласно уравнениям Эйнштейна, может влиять на течение времени. Отсюда и возникла гипотеза о “машине времени”. Но она даже если и существует, то в течение очень короткого времени и в очень малом объеме»…
Столь же экзотична, по мнению Ирины Ярославовны, и гипотеза об образовании при столкновении встречных пучков миниатюрных черных дыр. Даже если они и образуются, то время жизни их будет столь ничтожно, что их будет чрезвычайно трудно просто обнаружить.
Разве что по косвенным признакам, например рентгеновскому излучению Хокинга, да и то уже после того, как сама дыра исчезнет.
Словом, реакции, по некоторым расчетам, будут происходить в объеме всего лишь 10–20 куб. см и настолько быстро, что экспериментаторам придется немало поломать голову, чтобы поставить нужные датчики в соответствующих местах, получить данные и затем соответствующим образом их интерпретировать.
Продолжение следует… С той поры, когда профессором Арефьевой были сказаны вышеприведенные слова, до момента написания данных строк прошло почти пять лет.
За это время состоялся не только первый пробный пуск БАКа и еще несколько последующих. Как вы теперь сами знаете, все остались живы, и ничего страшного не произошло. Работы продолжаются…
Ученые только жалуются, что им очень трудно следить за исправностью всего оборудования этой уникальной научной установки. Тем не менее они уже мечтают о строительстве гигантского ускорителя частиц следующего поколения – Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC).
ЦЕРН, Швейцария. Июнь 2013.
Во всяком случае, вот что пишут по этому поводу Барри Бэриш, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института, который руководит работами по проектированию Международного линейного коллайдера, его коллеги
– Николас Уокер Уокер, специалист в области физики ускорителей из Гамбурга, и Хитоши Ямамото, профессор физики в университете Тохоку в Японии.
Большой адронный коллайдер будущего
«Конструкторы ILC уже определили основные параметры будущего коллайдера, – сообщают ученые.
– Его длина – около 31 км; основную часть займут два сверхпроводящих линейных ускорителя, которые обеспечат электрон-позитронные столкновения с энергией 500 ГэВ.
Пять раз в секунду ILC будет генерировать, ускорять и сталкивать почти 3000 электронных и позитронных сгустков в импульсе длительностью 1 мс, что соответствует мощности 10 МВт для каждого пучка.
КПД установки составит около 20 %, следовательно, полная мощность, которая понадобится ILC для ускорения частиц, составит почти 100 МВт».
Для создания пучка электронов мишень из арсенида галлия будет облучаться лазером; при этом в каждом импульсе из нее будут выбиваться миллиарды электронов.
Эти электроны сразу будут ускорены до 5 ГэВ в коротком линейном сверхпроводящем ускорителе, а затем инжектированы в 6,7-километровое накопительное кольцо, расположенное в центре комплекса.
Двигаясь в кольце, электроны будут генерировать синхротронное излучение, и сгустки сожмутся, что увеличит плотность заряда и интенсивность пучка.
На середине пути при энергии 150 Мэв электронные сгустки будут слегка отклонены и направлены в специальный магнит, так называемый ондулятор, где некоторая часть их энергии преобразуется в гамма-излучение.
Гамма-фотоны попадут на мишень из титанового сплава, вращающуюся со скоростью около 1000 оборотов в минуту.
При этом образуется множество электрон-позитронных пар. Позитроны будут захвачены, ускорены до 5 ГэВ, после чего попадут в другое сжимающее кольцо и, наконец, во второй главный линейный сверхпроводящий ускоритель на противоположном конце ЛС.
Когда энергия электронов и позитронов достигнет конечной величины в 250 ГэВ, они устремятся к точке столкновения. После столкновения продукты реакции будут направляться в ловушки, где и зафиксируются.
Большой адронный коллайдер видео
Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.
До какого предела можно раздробить крупицу вещества, например песчинку? Из чего состоит окружающий нас мир? Как, когда и откуда появились звёзды, планеты и всё остальное? Эти вопросы давно не дают человеку покоя. И чем глубже проникают учёные в тайны природы, тем сложнее становятся научные эксперименты.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наверное, каждый из нас хотя бы раз пытался разобрать игрушку, чтобы посмотреть, что у нее внутри. Подобное любопытство движет и учёными, которые стремятся выяснить устройство материи вплоть до самых элементарных кирпичиков. А чтобы проводить такие исследования, проектируют и строят специальные экспериментальные установки - ускорители.
На границе Швейцарии и Франции, глубоко под землёй, проходит огромный кольцевой тоннель. Его длина - без малого 27 км. Когда-то, еще в 80-е годы XX века, этот тоннель прорыли для того, чтобы исследователи из ЦЕРНа - Европейского центра ядерных исследований - могли разгонять в нём до огромных скоростей электроны и позитроны. Теперь в этом самом тоннеле создан новый ускоритель, который получил название «Большой адронный коллайдер».
Что это такое?
Слово «коллайдер» происходит от английского collide - сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. В обычных ускорителях пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.
Почему коллайдер называется адронным? Среди элементарных частиц есть семейство адронов. К нему относятся протоны и нейтроны, из которых состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов - то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.
Разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, что имеет электрический заряд. Например, нейтрон - частица нейтральная, что видно из названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами эксперимента станут протоны (ядра атомов водорода) и тяжёлые ядра свинца.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер - самый мощный в мире. С его помощью физики надеются получить протоны с энергией 7ТэВ (тераэлектронвольт, то есть 10 12 эВ). Это значит, что при столкновении выделится суммарная энергия 14 ТэВ. Чтобы достичь такой энергии, протоны должны лететь почти со световой скоростью (если точнее, то со скоростью, которая составляет 0,999999991 от скорости света). При этом каждый протон за одну секунду пролетит по 27-километровому кольцу 11 000 раз! Пучок протонов может летать внутри коллайдера 10часов. За это время он преодолеет более 10 миллиардов километров - расстояние до планеты Нептун и обратно.
Как он устроен?
Вдоль всего тоннеля установлены сверхпроводящие магниты. Частицы разгоняются в электрическом поле, а магнитное поле направляет их по круговой траектории - иначе они врежутся в стенку. Поскольку магниты не простые, а сверхпроводящие (только они позволяют достичь требуемых величин магнитного поля), то для работы их необходимо охладить до температуры 1,9 К. Это ниже, чем температура в космическом пространстве (2,7 К). Чтобы получить космический холод в земных условиях, в охлаждающие системы коллайдера требуется залить 120 т жидкого гелия.
Два пучка движутся во встречных направлениях по двум кольцевым трубам. Ничто не должно мешать движению частиц, поэтому воздух из труб откачан до глубокого вакуума. Столкновения могут происходить только в четырёх точках, где трубы пересекаются. Столкновение двух частиц «лоб в лоб» - событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.
Зачем он нужен?
Взаимодействие и превращения известных на сегодняшний день элементарных частиц неплохо описывает теория, называемая Стандартной моделью. Но на некоторые вопросы эта теория ответить не может. Например, она не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют её вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица - бозон Хиггса. Её-то и надеются обнаружить физики при столкновении протонных пучков с большой энергией. Возможно, что Большой адронный коллайдер поможет нам понять, что такое тёмная материя и тёмная энергия, на которые, как считают астрофизики, приходится более 95% всей материи во Вселенной.
В столкновениях пучков тяжёлых ядер физики надеются создать условия Большого взрыва - отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кварк-глюонная плазма. По прошествии одной сотой доли микросекунды кварки объединились по три и образовали протоны и нейтроны. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки. Но как знать, быть может, Большой адронный коллайдер справится с этой задачей - ведь при столкновении ядер свинца предполагается достичь температуры, в сто тысяч раз превышающей температуру в центре Солнца.
Как увидеть невидимое?
К сожалению, в распоряжении учёных нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму: через ничтожно короткий промежуток в 10 -23 секунды она исчезнет без следа. О результатах эксперимента приходится судить по «уликам» - следам, оставленным частицами, родившимся в ходе эксперимента. Как шутят физики, это не легче, чем воссоздать облик Чеширского кота по его улыбке.
О чёрных дырах и «конце света»
С Большим адронным коллайдером связано множество мифов. Например, говорят о том, что при столкновении частиц с высокой энергией образуется чёрная дыра, в которую может «затянуть» всю нашу планету, и наступит «конец света». На самом деле рекордная для физики элементарных частиц энергия в 14 ТэВ чрезвычайно мала - это две миллионные доли джоуля. Чтобы довести до кипения один литр воды, потребуется энергия более ста миллиардов протон-протонных столкновений. Кроме того, Землю в течение миллиардов лет бомбардируют космические частицы с энергией в миллионы раз большей, чем энергия протонов в ускорителе. И пока ни к каким ужасным последствиям это не привело. Правда, некоторые физики полагают, что чёрные дыры в коллайдере появятся - но микроскопические и очень коротко живущие.
Энергию измеряют в разных единицах - в джоулях, калориях, киловатт-часах. В международную систему СИ входит только джоуль. Но в физике элементарных частиц для измерения энергии чаще всего используют электронвольт и его производные - КэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ. Электронвольт - удобная единица. Она основана на понятном представлении, что одиночный электрон ускоряется разностью потенциалов в 1 вольт и приобретает при этом определенное количество энергии. 1 эВ = 1,6.10 -19 Дж. В электронвольтах измеряют не только энергию, но и массу. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc 2 , энергия и масса - две стороны одной монеты. Масса может трансформироваться в энергию и наоборот. В коллайдере такие превращения происходят при каждом столкновении.
То, что вещество состоит из неделимых частиц - атомов, предположил древнегреческий ученый Демокрит (кстати, «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но лишь через многие столетия физики доказали, что так оно и есть. Потом обнаружилось, что атом на самом деле разделить можно, - он состоит из электронов и ядра, а ядро - из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. Физики считают, что кварки - предел деления материи и ничего меньше на свете нет. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского glue - клей).
Физика элементарных частиц изучает самые крошечные объекты в природе. Размер атома равен 10 -10 м, размер атомного ядра - 10 -14 м, размеры протона и нейтрона - 10 -15 м, электроны меньше 10 -18 м, а кварки меньше 10 -19 м. Чтобы сравнить эти числа, представим, что диаметр протона будет равен примерно 10 см. Тогда электроны и кварки окажутся меньше 0,1 мм, а весь атом будет иметь 10 км в поперечнике.
установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц, причем нередко до значений, близких к скорости света. В настоящее время многочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия), а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках). Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях для исследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц (см. также ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ).
Согласно квантовой механике, пучок частиц, как и световой пучок, характеризуется определенной длиной волны. Чем больше энергия частиц, тем меньше эта длина волны. А чем меньше длина волны, тем меньше объекты, которые можно исследовать, но тем больше размеры ускорителей и тем они сложнее. Развитие исследований микромира требовало все большей энергии зондирующего пучка. Первыми источниками излучений высокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователям лишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий. В 1930-х годах ученые начали работать над созданием установок, которые могли бы давать более разнообразные пучки. В настоящее время существуют ускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если, например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорению подвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозного или синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящей мишени интенсивным пучком протонов или дейтронов.
Энергия ядерных частиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт это энергия, которую приобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (заряд электрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В. (1 эВ » 1,60219Ч 10 19 Дж.) Ускорители позволяют получать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (10 12) электронвольт на крупнейшем в мире ускорителе.
Для обнаружения в эксперименте редких процессов необходимо повышать отношение сигнала к шуму. Для этого требуются все более интенсивные источники излучения. Передний край современной техники ускорителей определяется двумя основными параметрами энергией и интенсивностью пучка частиц.
В современных ускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники: высокочастотные генераторы, быстродействующая электроника и системы автоматического регулирования, сложные приборы диагностики и управления, сверхвысоковакуумная аппаратура, мощные прецизионные магниты (как «обычные», так и криогенные) и сложные системы юстировки и крепления.
Валошек П. Путешествие в глубь материи. С ускорителем ГЕРА к границам познания . М., 1995
Найти "УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ " на
(или БАК) - на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.
История, мифы и факты
Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.
Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:
Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.
А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.
Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.
Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы - это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).
Как работает большой адронный коллайдер
Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.
В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.
Результаты работы большого адронного коллайдера.
Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».
Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц , получены первые данные столкновений на рекордных энергиях , показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов , обнаружены необычные корреляции протонов . Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.
И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ . Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ . Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере - далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.
Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут . Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!
