Адронный коллайдер зачем нужен? Для чего нужен большой адронный коллайдер. Зачем физики строят гигантские ускорители
Презентация по физике "Зачем нужны ускорители элементарных частиц"
Скачать эту презентацию
Скачать эту презентацию
№ слайда 1 Описание слайда:Зачем нужны ускорители элементарных частиц Подготовила: ученица 11 «А» класса МОУ Аннинский лицей Гречишникова Надежда.Учитель: Шевцова Эвелина Николаевна
№ слайда 2 Описание слайда:Ускорители заряженных частиц.
№ слайда 3 Описание слайда:Зачем физикам гигантские ускорители ? Современные физики-экспериментаторы, как и столетия назад, проводят опыты, однако «приборы» у них совсем других размеров. Объект исследований - микромир, хранящий пока тайны строения материи, пространства и времени. Эксперименты с элементарными частицами помогают развивать фундаментальную науку, а, значит, понять основы мироустройства. Микромир можно исследовать только с помощью «частиц-разведчиков», разогнанных до сверхвысоких энергий. Чтобы получить нужную энергию, требуются мощные электрические и магнитные поля, для чего и сооружают грандиозные по размерам и по сложности машины – ускорители.
Кому «принадлежат» ускорители ? Физика всегда была наукой интернациональной. Современная физика требует столь существенных затрат , что для увеличения научной эффективности экспериментов при тех же деньгах нужно объединение усилий как физиков, так и заинтересованных государств.В таких центрах науки, как Объединённый институт ядерных исследований (Россия), Брукхейвенская национальная лаборатория и Фермилаб (США) и других работают исследователи со всего мира.Создана и успешно функционирует Европейская организация по ядерным исследованиям - ЦЕРН (CERN), крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, участниками которой являются десятки государств (У России статус страны-наблюдателя). Основным проектом ЦЕРНа в данное время является Большой адронный коллайдер (LHC).
№ слайда 5 Описание слайда:Какая польза для практики от экспериментов на ускорителях? В мире насчитывается примерно 17 тысяч ускорителей, но лишь несколько десятков из них относятся к высокоэнергетическим и используются в научных целях. Фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе. Подавляющее большинство – это компактные низкоэнергетические ускорители, использующиеся в целях медицины, дефектоскопии, обеззараживающих облучений и т. д.«Большая» наука уже сегодня дала методики и приборы, которые с успехом служат людям, это: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия и др.
Основные применения ускорителей Научные исследования. Стерилизация (продуктов питания, медицинского инструмента). Медицина (лечение онкологических заболеваний, радиодиагностика). Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей). Радиационная дефектоскопия. Радиационное сшивание полимеров. Радиационная очистка топочных газов и сточных вод.
№ слайда 7 Описание слайда:Зачем нужно развивать физику элементарных частиц? Даже в школьной физике можно найти немало примеров удивительной схожести математического описания природных явлений и процессов и проследить аналогии между объектами из разных её областей.В современной физике эта «математическая экономность» природы ещё больше убеждает в том, что всё в природе взаимосвязано. Физика элементарных частиц, как составная часть физического знания о мире, находится на этапе становления, поэтому остаётся только догадываться, какие тайны и возможности перед нами откроются по мере её развития.
Как работает ускоритель? В основе работы ускорителей заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями: частицы разгоняются до больших скоростей, затем ускоренные частицы приводят в столкновение с мишенями.Соударение частиц высоких энергий совсем не похоже на столкновение шаров при игре в бильярд. Мир высоких энергий и невообразимо малых расстояний настолько специфичен, что для описания взаимодействий в нём используется квантовая физика.Задача исследователя — восстановить картину события по зафиксированным следам частиц. Результат взаимодействия изучается путём анализа поведения очень большого числа частиц и проводится с помощью ЭВМ
№ слайда 9 Описание слайда:Действие электрического поля на заряженные частицы Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию.В однородном электрическом поле движение заряженных частиц происходит с постоянным ускорением, в неоднородном – с переменным. Во всех случаях при отсутствии сил сопротивления энергия, приобретённая изначально покоящейся частицей, равна работе, совершённой силами поля:
Действие магнитного поля на заряженные частицы Магнитное поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы. Движение нерелятивистских частиц описывается классической физикой: при α = 90° радиус окружности период обращенияДля описания движения релятивистских частиц в однородном магнитном поле используется математический аппарат релятивистской физики.
№ слайда 11 Описание слайда:Классификация ускорителей Современные ускорители классифицируют по разным признакам: По типу ускоряемых частиц (различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов).По характеру траекторий частиц (линейные ускорители, в которых траектории частиц прямолинейны, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности или спирали). По характеру ускоряющего поля.По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях.И др.
Принципы построения ускорителей заряженных частиц Основное разделение всех существующих в мире ускорителей - по принципу сообщения энергии. Можно:«нанизать» по прямой однотипные участки, собранные из стандартной, но достаточно сложной и дорогой аппаратуры, чтобы в каждом из них частицы последовательно приобретали новые порции энергии – построить линейный ускоритель;заставить пучок частиц проходить один и тот же ускоряющий участок многократно – построить «кольцевой», или «циклический» ускоритель. Для достижения высоких энергий используют кольцевые ускорители, там, где не нужны высокие энергии частиц - линейные ускорители.
№ слайда 13 Описание слайда:Механические аналогии На этих рисунках художник попытался изобразить особенности в способах ускорения частиц при помощи различных ускорителей заряженных частиц: а - линейный ускоритель; б - циклотрон; в - синхроциклотрон; г-синхрофазотрон.
№ слайда 14 Описание слайда:Линейный ускоритель В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. По всей длине таких ускорителей располагаются ускоряющие станции. Наибольший из работающих линейных ускоритель (электронный ускоритель в Стэнфорде) имеет длину 3,05 км. Линейные ускорители позволяют получить мощные потоки частиц, но при больших энергиях оказываются слишком дорогими. Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC)
Циклический ускоритель В циклических ускорителях «ведущее» магнитное поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности (кольцевые ускорители или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротроны). Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного цикла.
№ слайда 16 Описание слайда:Типы циклических ускорителей Деление осуществляется в зависимости от особенностей режимов ускорения :если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени - «циклотрон», если магнитное поле нарастает во время цикла ускорения - «синхротрон», если при этом изменяется и частота ускоряющего поля - «синхрофазотрон». В протонных ускорителях на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц увеличивается настолько, что они обращаются по круговой орбите практически с постоянной частотой, поэтому синхрофазотроны для протонов высоких энергий называют «протонными синхротронами».
Устройство циклотрона Идея циклотрона проста: между двумя полукруглыми полыми электродами (3) - дуантами, приложено переменное электрическое напряжение (4). Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Частица (1), вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте(2) электрическим полем в щели между дуантами, если частота изменения полярности напряжения на дуантах равна частоте обращения частицы (циклотрон является резонансным ускорителем). С увеличением энергии на каждом обороте радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.
№ слайда 19 Описание слайда:Первый из циклических ускорителей Циклотрон — первый из циклических ускорителей; был разработан и построен в 1931 году американскими физиками Э. Лоуренсом и С. Ливингстоном, за что была присуждена Нобелевская премия в 1939 году.
№ слайда 20 Описание слайда:Коллайдеры Коллайдеры — ускорители заряженных частиц на встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. В коллайдерах элементарным частицам вещества сообщается наиболее высокая энергия, так как при встречном движении растёт относительная скорость.Это чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
Действующие коллайдеры Развитие физики высоких энергий в 21-м веке связывается именно с коллайдерами. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в самых развитых странах мира - в США, Японии, ФРГ, а также в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), базирующейся в Швейцарии (в России (Протвино) к концу 20-го века был сооружен подземный кольцевой тоннель длиной 21 км для российского коллайдера, однако этот проект к началу 21 века был остановлен по ряду причин, прежде всего – финансовых). Самый мощный из действующих находится в США и называется "Тэватрон", поскольку в его кольце длиной более 6 км и с использованием сверхпроводящих магнитов протоны ускоряются до энергии около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ =1000 ГэВ)..
№ слайда 22 Описание слайда:Большой адронный коллайдер
№ слайда 23 Описание слайда:Что такое БАК? Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокращённо БАК) — кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.БАК - это самая сложная экспериментальная установка, когда-либо созданная человеком. Его сложность — не только инженерная, но и научная, ведь его функционирование опирается на множество самых разных физических явлений.
Что ожидают учёные от запуска БАК? Задачи, стоящие перед LHC:Изучение хиггсовского механизма. Подробнее про поиск и изучение бозона Хиггса на LHCПоиск суперсимметрии мира.Изучение топ-кварков. Подробнее про изучение топ-кварков на LHC Изучение кварк-глюонной плазмы.Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений.Проверка экзотических теорий.
№ слайда 25 Описание слайда:Идея проекта Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.
№ слайда 26 Описание слайда:Размещение LHC Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы, расположен под землёй на территории Франции и Швейцарии.БАК размещён в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер (длина окружности 26,7 км, глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров).
LHC В 27-километровом кольцевом подземном тоннеле протоны будут разгоняться «на встречных курсах» до немыслимых прежде в земных условиях энергий, а картины происходящих соударений и взаимодействий будут изучаться в 4-х экспериментальных зонах тоннеля, где размещено оборудование 4-х многоуровневых детекторов вторичных частиц. Эти детекторы называют по их английской аббревиатуре: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, и каждый из них нацелен на свою (в зависимости от типа устанавливаемого научного оборудования) экспериментальную программу.
№ слайда 28 Описание слайда:Эсперимент ATLAS На сегодняшний день наиболее полную физическую теорию, описывающую все явления в которых участвуют элементарные частицы, называют Стандартной Моделью физики элементарных частиц. За единственным исключением, бозона Хиггса, все частицы Стандартной Модели наблюдались экспериментально.Эксперимент ATLAS будет проводиться на детекторе с тем же названием и предназначен для поиска сверхтяжёлых элементарных частиц. Физики верят, что эксперименты на детекторах ATLAS и CMS могут пролить свет на физику за рамками Стандартной Модели. Размеры детектора ATLAS: длина - 46 метров, диаметр - 25 метров, общий вес - около 7000 тонн. В проекте участвуют около 2000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и универсистетов из 35 стран.
LHC и общество Одной строкой.Безопасны ли эксперименты на LHC? Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.Да, безопасны. Эта уверенность основана на надежно проверенных законах физики, на экспериментальных данных с предыдущих ускорителей, а также на астрофизических данных.
№ слайда 30 Описание слайда:Пуск коллайдера В августе 2008 года успешно завершились предварительные испытания БАК, а 10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:28 по московскому времени запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера. К сожалению, после первого запуска коллайдера произошла авария. Больше года шли ремонтные работы. В ближайшее время коллайдер заработает снова!
Вокруг коллайдера(для перехода щелкните на одно из изображений).
№ слайда 32 Описание слайда:Вокруг коллайдера В CERN есть фолк-группа Les Horribles Cernettes (LHC, та же аббревиатура, что и у БАК). Первая песня этого коллектива «Collider» была посвящена парню, который забыл о своей девушке, будучи увлечённым созданием коллайдера.
№ слайда 33 Описание слайда:Вокруг коллайдера В научно-фантастическом телесериале Лексс (The Lexx, показ стартовал в апреле 1997 года) в четвёртом сезоне главные герои оказываются на Земле. Обнаруживается, что Земля относится к планетам «типа 13», на последней стадии развития. Планеты типа 13 всегда уничтожают себя сами, в результате неудачного опыта по определению массы бозона Хиггса на сверхмощном ускорителе элементарных частиц, при этом сжимаясь до размеров горошины. В конечном итоге, Земля была уничтожена.
Вокруг коллайдера В шестой серии тринадцатого сезона мультсериала «Южный Парк» с помощью магнита из Большого адронного коллайдера была достигнута сверхсветовая скорость на конкурсе Дерби соснового леса (Pinewood Derby).
№ слайда 35 Описание слайда:Вокруг коллайдера В фильме «Ангелы и демоны» антивещество из Большого адронного коллайдера было украдено, и похитители хотели взорвать с помощью него Ватикан.
№ слайда 36 Описание слайда:Вокруг коллайдера В фильме «Конец света» (англ. End Day) производства BBC последним из четырёх наиболее вероятных сценариев апокалипсиса являлась авария при запуске новейшего ускорителя элементарных частиц, повлекшая за собой образование чёрной дыры.
№ слайда 37 Описание слайда:Используемые источники http://ru.wikipedia.orghttp://nuclphys.sinp.msu.ruhttp://pda.korrespondent.nethttp://elementy.ru/http://www.lenta.ru/http://newsbak.ru/http:// www.scorcher.ru и другие сайты.
ppt4web.ru
Адронный коллайдер зачем нужен? Для чего нужен большой адронный коллайдер
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 подземные коммуникации 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 методы познания 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 возможности человека, 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 скорости света 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 криогенная камера для достижения эффекта сверхпроводимости 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 боевые колесницы. 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 цепную ядерную реакцию, способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере...
Информационная диктатура
Настораживает, что голоса действительно учёных и разбирающихся в ядерной физике людей попросту изолируют от общественности. Средства массовой информации проходят мимо, не пытаясь даже освещать вопрос с этой точки зрения.
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.
fb.ru
Линейные ускорители заряженных частиц. Как работают ускорители заряженных частиц. Зачем нужны ускорители заряженных частиц?
Ускоритель заряженных частиц – это устройство, в котором создается пучок электрически заряженных атомных или субатомных частиц, движущихся с околосветовыми скоростями. В основу его работы положено увеличение их энергии электрическим полем и изменение траектории - магнитным.
Для чего нужны ускорители заряженных частиц?
Данные устройства нашли широкое применение в различных областях науки и промышленности. На сегодняшний день во всем мире их насчитывается более 30 тысяч. Для физика ускорители заряженных частиц служат инструментом фундаментальных исследований структуры атомов, характера ядерных сил, а также свойств ядер, которые в природе не встречаются. К последним относятся трансурановые и другие неустойчивые элементы.
С помощью разрядной трубки стало возможным определение удельного заряда. Ускорители заряженных частиц также используются для производства радиоизотопов, в промышленной радиографии, лучевой терапии, для стерилизации биологических материалов, а также в радиоуглеродном анализе. Самые большие установки применяются в исследованиях фундаментальных взаимодействий.
Время жизни заряженных частиц, покоящихся относительно ускорителя, меньше, чем у частиц, разогнанных до скоростей, близких к скорости света. Это подтверждает относительность промежутков времени СТО. Например, в ЦЕРН было достигнуто увеличение времени жизни мюонов на скорости 0,9994c в 29 раз.
В данной статье рассматривается то, как устроен и работает ускоритель заряженных частиц, его развитие, различные типы и отличительные черты.
Принципы ускорения
Независимо от того, какие ускорители заряженных частиц вам известны, все они обладают общими элементами. Во-первых, все они должны иметь источник электронов в случае телевизионного кинескопа или электронов, протонов и их античастиц в случае более крупных установок. Кроме того, все они должны иметь электрические поля для ускорения частиц и магнитные поля для управления их траекторией. Кроме того, вакуум в ускорителе заряженных частиц (10-11 мм рт. ст.), т. е. минимальное количество остаточного воздуха, необходим для обеспечения длительного времени жизни пучков. И, наконец, все установки должны обладать средствами регистрации, подсчета и измерения ускоренных частиц.
Генерация
Электроны и протоны, которые наиболее часто используются в ускорителях, встречаются во всех материалах, но сперва их нужно из них выделить. Электроны, как правило, генерируются точно так же, как в кинескопе – в устройстве, которое называется «пушкой». Она представляет собой катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается до состояния, когда электроны начинают отрываться от атомов. Отрицательно заряженные частицы притягиваются к аноду (положительному электроду) и проходят через выпускное отверстие. Сама пушка также является простейшим ускорителем, так как электроны движутся под действием электрического поля. Напряжение между катодом и анодом, как правило, находится в пределах 50–150 кВ.
Помимо электронов, во всех материалах содержатся протоны, но из одиночных протонов состоят лишь ядра атомов водорода. Поэтому источником частиц для ускорителей протонов является газообразный водород. В этом случае газ ионизируется и протоны выходят через отверстие. В больших ускорителях протоны часто образуются в виде отрицательных ионов водорода. Они представляют собой атомы с дополнительным электроном, которые являются продуктом ионизации двухатомного газа. С отрицательно заряженными ионами водорода на начальных этапах работать легче. Потом их пропускают через тонкую фольгу, которая лишает их электронов перед финальной стадией ускорения.
Разгон
Как работают ускорители заряженных частиц? Ключевой особенностью любого из них является электрическое поле. Простейший пример – равномерное статическое поле между положительными и отрицательным электрическими потенциалами, подобное тому, которое существует между выводами электрической батареи. В таком поле электрон, несущий отрицательный заряд, подвержен действию силы, которая направляет его к положительному потенциалу. Она ускоряет его, и, если нет ничего, что бы этому препятствовало, его скорость и энергия возрастают. Электроны, движущиеся в сторону положительного потенциала по проводу или даже в воздухе, сталкиваются с атомами и теряют энергию, но если они находятся в вакууме, то ускоряются по мере приближения к аноду.
Напряжение между начальным и конечным положением электрона определяет приобретенную им энергию. При движении через разность потенциалов в 1 В она равна 1 электрон-вольту (эВ). Это эквивалентно 1,6 × 10-19 джоуля. Энергия летящего комара в триллион раз больше. В кинескопе электроны разгоняются напряжением свыше 10 кВ. Многие ускорители достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мега-, гига- и тераэлектрон-вольтами.
Разновидности
Некоторые самые ранние виды ускорителей заряженных частиц, такие как умножитель напряжения и генератор Ван-де-Граафа, использовали постоянные электрические поля, создаваемые потенциалами до миллиона вольт. С такими высокими напряжениями работать нелегко. Более практичной альтернативой является повторяющееся действие слабых электрических полей, создаваемых низкими потенциалами. Это принцип используется в двух типах современных ускорителей – линейных и циклических (главным образом в циклотронах и синхротронах). Линейные ускорители заряженных частиц, кратко говоря, пропускают их один раз через последовательность ускоряющих полей, в то время как в циклическом они многократно движутся по круговой траектории через относительно небольшие электрические поля. В обоих случаях конечная энергия частиц зависит от суммарного действия полей, так что многие малые «толчки» складываются вместе, чтобы дать совокупный эффект одного большого.
Повторяющийся структура линейного ускорителя для создания электрических полей естественным образом предполагает использование переменного, а не постоянного напряжения. Положительно заряженные частицы ускоряются к отрицательному потенциалу и получают новый толчок, если проходят мимо положительного. На практике напряжение должно изменяться очень быстро. Например, при энергии 1 МэВ протон движется на очень высоких скоростях, составляющих 0,46 скорости света, проходя 1,4 м за 0,01 мс. Это означает, что в повторяющейся структуре длиной в несколько метров, электрические поля должны менять направление с частотой, по меньшей мере, 100 МГц. Линейные и циклические ускорители заряженных частиц, как правило, разгоняют их с помощью переменных электрических полей частотой от 100 до 3000 МГц, т. е. в пределах от радиоволн до микроволн.
Электромагнитная волна является комбинацией переменных электрических и магнитных полей, колеблющихся перпендикулярно друг к другу. Ключевым моментом ускорителя является настройка волны таким образом, чтобы при прибытии частицы электрическое поле было направлено в соответствии с вектором ускорения. Это может быть сделано с помощью стоячей волны – комбинации волн, движущихся в противоположных направлениях в замкнутом пространстве, как звуковые волны в органной трубе. Альтернативным вариантом для очень быстро перемещающихся электронов, скорость которых приближается к скорости света, является бегущая волна.
Автофазировка
Важным эффектом при ускорении в переменном электрическом поле является «автофазировка». В одном цикле колебания переменное поле проходит от нуля через максимальное значение снова до нуля, падает до минимума и поднимается к нулю. Таким образом, оно дважды проходит через значение, необходимое для ускорения. Если частица, скорость которой возрастает, прибывает слишком рано, то на нее не будет действовать поле достаточной силы, и толчок будет слабым. Когда она достигнет следующего участка, то опоздает и испытает более сильное воздействие. В результате произойдет автофазировка, частицы будут находиться в фазе с полем в каждой ускоряющей области. Другим эффектом будет их группировка во времени с образованием сгустков, а не непрерывного потока.
Направление пучка
Важную роль в том, как устроен и работает ускоритель заряженных частиц, играют и магнитные поля, так как они могут изменять направление их движения. Это означает, что их можно использовать для «сгибания» пучков по круговой траектории, чтобы они несколько раз проходили через один и тот же ускоряющий участок. В простейшем случае на заряженную частицу, движущуюся под прямым углом к направлению однородного магнитного поля, действует сила, перпендикулярная как к вектору ее перемещения, так и к полю. Это заставляет пучок двигаться по круговой траектории перпендикулярной полю, пока он не выйдет из области ее действия или другая сила не начнет действовать на него. Этот эффект используется в циклических ускорителях, таких как циклотрон и синхротрон. В циклотроне постоянное поле создается большим магнитом. Частицы по мере роста их энергии движутся по спирали наружу, ускоряясь с каждым оборотом. В синхротроне сгустки перемещаются по кольцу с постоянным радиусом, а поле, создаваемое электромагнитами вокруг кольца, увеличивается, поскольку частицы ускоряются. Магниты, обеспечивающие «изгиб», представляют собой диполи с северным и южным полюсами, согнутыми в виде подковы таким образом, что пучок может проходить между ними.
Второй важной функцией электромагнитов является концентрация пучков, чтобы они были настолько узкими и интенсивными, насколько это возможно. Простейшая форма фокусирующего магнита – с четырьмя полюсами (двумя северными и двумя южными), расположенными напротив друг друга. Они толкают частицы к центру в одном направлении, но позволяют им распространяться в перпендикулярном. Квадрупольные магниты фокусируют луч по горизонтали, позволяя ему выйти из фокуса вертикально. Для этого они должны использоваться попарно. Для более точной фокусировки также используются более сложные магниты с большим числом полюсов (6 и 8).
Поскольку энергия частиц возрастает, сила магнитного поля, направляющая их, увеличивается. Это удерживает пучок на одной траектории. Сгусток вводят в кольцо и ускоряют до необходимой энергии, прежде чем он будет выведен и использован в экспериментах. Отвод достигается за счет электромагнитов, которые включаются, чтобы вытолкнуть частицы из синхротронного кольца.
Столкновение
Ускорители заряженных частиц, используемые в медицине и промышленности, в основном производят пучок для конкретной цели, например, для лучевой терапии или имплантации ионов. Это означает, что частицы используются один раз. В течение многих лет то же самое было верно для ускорителей, применяемых в фундаментальных исследованиях. Но в 1970 годах были разработаны кольца, в которых два пучка циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются по всему контуру. Основным преимуществом таких установок является то, что при лобовом столкновении энергия частиц переходит непосредственно в энергию взаимодействия между ними. Это контрастирует с тем, что происходит, когда пучок сталкивается с покоящимся материалом: в этом случае большая часть энергии уходит на приведение материала мишени в движение, в соответствии с принципом сохранения импульса.
Некоторые машины со встречными пучками построены с двумя кольцами, пересекающимися в двух и более местах, в которых в противоположных направлениях циркулировали частицы одного типа. Более распространены коллайдеры с частицами и античастицами. Античастица имеет противоположный заряд связанной с ней частицы. Например, позитрон заряжен положительно, а электрон – отрицательно. Это означает, что поле, которое ускоряет электрон, замедляет позитрон, движущийся в том же направлении. Но если последний перемещается в противоположную сторону, он ускорится. Аналогично электрон, движущийся через магнитное поле, будет изгибаться налево, а позитрон – вправо. Но если позитрон перемещается навстречу, то его путь будет по-прежнему отклоняться вправо, но по той же кривой, что и электрон. Вместе это означает, что данные частицы могут двигаться по кольцу синхротрона благодаря одним и тем же магнитам и ускоряться одними и теми же электрическими полями в противоположных направлениях. По этому принципу созданы многие мощнейшие коллайдеры на встречных пучках, т. к. требуется только одно кольцо ускорителя.
Луч в синхротроне не движется непрерывно, а объединен в «сгустки». Они могут иметь несколько сантиметров в длину и десятую долю миллиметра в диаметре, и содержат около 1012 частиц. Это небольшая плотность, поскольку в веществе подобных размеров содержится около 1023 атомов. Поэтому, когда пучки пересекаются со встречными, существует лишь небольшая вероятность того, что частицы будут взаимодействовать друг с другом. На практике сгустки продолжают движение по кольцу и встречаются снова. Глубокий вакуум в ускорителе заряженных частиц (10-11 мм рт. ст.) необходим для того, чтобы частицы могли циркулировать в течение многих часов без столкновения с молекулами воздуха. Поэтому кольца еще называют накопительными, поскольку пучки фактически хранятся в них в течение нескольких часов.
Регистрация
Ускорители заряженных частиц в большинстве своем могут регистрировать происходящее при попадании частиц в мишень или в другой пучок, движущийся в противоположном направлении. В телевизионном кинескопе электроны из пушки ударяют в люминофор на внутренней поверхности экрана и излучают свет, который, таким образом, воссоздает передаваемое изображение. В ускорителях подобные специализированные детекторы реагируют на рассеянные частицы, но они обычно предназначены для создания электрических сигналов, которые могут быть преобразованы в компьютерные данные и проанализированы с помощью компьютерных программ. Только заряженные элементы создают электрические сигналы, проходя через материал, например, путем возбуждения или ионизации атомов, и могут быть обнаружены непосредственно. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или фотоны, можно регистрировать опосредованно через поведение заряженных частиц, которые приводятся ими в движение.
Существует множество специализированных детекторов. Некоторые из них, такие как счетчик Гейгера, просто подсчитывают частицы, а другие используются, например, для записи треков, измерения скорости или количества энергии. Современные детекторы по размеру и технологии варьируют от небольших устройств с зарядовой связью до больших заполненных газом камер с проводами, которые регистрируют ионизированные следы, создаваемые заряженными частицами.
История
Ускорители заряженных частиц в основном разрабатывались для исследований свойств атомных ядер и элементарных частиц. Начиная с открытия британского физика Эрнеста Резерфорда в 1919 году реакции ядра азота и альфа-частицы, все исследования в области ядерной физики до 1932 года проводились с ядрами гелия, выпущенными в результате распада естественных радиоактивных элементов. Природные альфа-частицы обладают кинетической энергией 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада тяжелых ядер необходимо их искусственно ускорить до еще больших значений. В то время это представлялось сложным. Однако расчет, сделанный в 1928 году Георгием Гамовым (в университете Геттингена, Германия), показал, что могут быть использованы ионы со значительно меньшими энергиями, и это стимулировало попытки построить установку, которая обеспечивала пучок, достаточный для ядерных исследований.
Другие события этого периода продемонстрировали принципы, по которым ускорители заряженных частиц строятся и по сей день. Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены Кокрофтом и Уолтоном в 1932 году в Кембриджском университете. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до 710 кэВ и показали, что последние реагируют с ядром лития с образованием двух альфа-частиц. К 1931 году в Принстонском университете в Нью-Джерси Роберт Ван-де-Грааф построил первый ременной электростатический генератор высокого потенциала. Умножители напряжения Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван-де-Граафа по-прежнему используются в качестве источников энергии для ускорителей.
Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928 г. В Рейн-Вестфальском техническом университете в Аахене, Германия, он использовал высокое переменное напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, в два раза превышающих сообщаемые им. В 1931 году в Соединенных Штатах Эрнест Лоуренс и его помощник Дэвид Слоун из Университета Калифорнии, Беркли, использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до энергий, превышающих 1,2 МэВ. Эта работа дополнила ускоритель тяжелых заряженных частиц Видероэ, но ионные пучки не пригодились в ядерных исследованиях.
Магнитный резонансный ускоритель, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация установки Видероэ. Студент Лоренса Ливингстон продемонстрировал принцип циклотрона в 1931 году, произведя ионы с энергией в 80 кэВ. В 1932 году Лоуренс и Ливингстон объявили об ускорении протонов до более 1 МэВ. Позже в 1930-е годы энергия циклотронов достигла около 25 МэВ, а генераторов Ван-де-Граафа – около 4 МэВ. В 1940 году Дональд Керст, применяя результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, построил в Университете штата Иллинойс первый бетатрон, магнитно-индукционный ускоритель электронов.
Современная физика: ускорители заряженных частиц
После Второй мировой войны в науке ускорения частиц до высоких энергий произошел быстрый прогресс. Его начал Эдвин Макмиллан в Беркли и Владимир Векслер в Москве. В 1945 году они оба независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности. Эта концепция предлагает средства поддержания стабильных орбит частиц в циклическом ускорителе, что сняло ограничение на энергию протонов и позволило создать магнитно-резонансные ускорители (синхротроны) для электронов. Автофазировка, реализация принципа фазовой стабильности, была подтверждена после постройки небольшого синхроциклотрона в Университете Калифорнии и синхротрона в Англии. Вскоре после этого был создан первый протонный линейный резонансный ускоритель. Этот принцип используется во всех больших протонных синхротронах, построенных с тех пор.
В 1947 году Уильям Хансен, в Стэнфордском университете в Калифорнии построил первый линейный ускоритель электронов на бегущей волне, использовавший технологию СВЧ, которая была разработана для радаров во время Второй мировой войны.
Прогресс в исследованиях стал возможным за счет повышения энергии протонов, что привело к построению все больших ускорителей. Эта тенденция была остановлена высокой стоимостью изготовления огромных магнитов кольца. Самый большой весит около 40000 тонн. Способы увеличения энергии без роста размеров машин были продемонстрированы в 1952 году Ливингстоном, Курантом и Снайдером в технике знакопеременной фокусировки (иногда называемой сильной фокусировкой). Синхротроны, работающие на этом принципе, используют магниты в 100 раз меньшего размера, чем до этого. Такая фокусировка применяется во всех современных синхротронах.
В 1956 Керст понял, что если два набора частиц удерживать на пересекающихся орбитах, то можно наблюдать их столкновения. Применение этой идеи потребовало накопления ускоренных пучков в циклах, называемых накопительными. Эта технология позволила достичь максимальной энергии взаимодействия частиц.
fb.ru
А чё такое адронный коллайдер, и зачем он нужен?
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider - LHC), он же Большой адронный ускоритель на встречных пучках - амбициознейший проект по созданию гигантского ускорителя частиц, с помощью которого будут проводиться фундаментальные эксперименты, связанные со сверхпроводимостью, высокими энергиями и ещё, бог знает, чем. Одна из последних статей про чёрные дыры вызвала бурный отклик на форумах на тему "нужна ли нам чёрная дыра на Земле", как раз потому, что в конце статьи приводилась информация об одном из готовящихся экспериментов - моделированию чёрной дыры в этом самом LHC. Довольно странно полагать, что кто-то сейчас позволил бы проводить решительно непредсказуемые эксперименты с материей и высокими энергиями, если бы существовала сколько-нибудь серьёзная угроза жизни на Земле - времена не те, равно как и технологии. Впрочем, всё новое имеет обыкновение пугать. А LHC действительно обещает быть чем-то новым. Строящийся на границе Франции и Швейцарии, к востоку от Женевы, у подножья Юрских гор, Большой адронный коллайдер будет представлять из себя кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках с кольцом длиной в 26,65 км. "Зачем это нужно? " Дело, прежде всего, в длине кольца, в котором будет осуществляться разгон частиц до сверхвысоких скоростей, и соответственно, сверхвысоких энергий столкновений. Создавая такие условия и изучая процессы, происходящие при них, учёные надеются получить сведения о самых фундаментальных законах физики частиц. Как гласит уведомление на сайте проекта LHC, "всё указывает на то, что при энергиях в районе 1 ТэВ (тераэлектронвольт) речь идёт о новой физике, и именно там скрываются ответы на некоторые самые фундаментальные вопросы нашего времени". Строительство Большого адронного коллайдера - международное предприятие, в котором принимает участие и Российская Федерация, осуществляется под эгидой CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire - Европейский совет по ядерным исследованиям) . Вторая мировая война в огромной степени помешала развитию физики и других фундаментальных наук в Европе, в то время как в США, державе, от Второй мировой не слишком пострадавшей, наука в изрядной степени продвинулась вперёд. В частности, как написано на сайте LHC, в Америке началось строительство крупных ускорителей частиц, а отдельные эксперименты уступили крупным научным предприятиям, в которые входили десятки и сотни учёных и инженеров (собственно говоря, к 1945 году, как известно, Штаты обладали атомной бомбой, которой и не преминули воспользоваться против Японии и в назидание остальным) . В Европе, что называется, "опомнились" довольно быстро. Стало очевидно, что, несмотря на всю славу и традиции наиболее знаменитых европейских университетов, ни одна европейская держава не сможет добиться реального научного прорыва в одиночку. В 1950 году совет ЮНЕСКО принял постановление-рекомендацию относительно создания общеевропейской организации по научным исследованиям, и спустя менее трёх лет 12 стран подписали конвенцию о создании CERN. Сейчас CERN ассоциируется, в первую очередь, с ускорителями частиц. Первым был протонный коллайдер Intersecting Storage Rings (ISR), запущенный в действие в 1971 году и протонно-антипротонный суперсинхротрон (Super Proton Synchrotron), запущенный в 1981 году. С помощью него удалось доказать объединённую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий. В 1996 году на электронно-позитронном ускорителе LEP (Large Electron-Positron Collider) удалось достичь энергии столкновения в 90 ГэВ (гигаэлектронвольт) , открыв совершенно новую область в науке. Однако строили LEP, что называется, "с запасом". В частности, данные, получаемые с LEP, настолько точны, что они дают представление о явлениях, проходящих при энергиях, превышающих энергию самого ускорителя. Таков "предварительный" взгляд издалека на будущие открытия. Большой адронный коллайдер (LHC) будет частично использовать уже существующую инфраструктуру того же самого LEP, выключенного в 20
Большой адро́нный колла́йдер (англ. LHC, Large Hadron Collider) — ускоритель, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов, строящийся в настоящее время в исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Одной из основных целей проекта LHC является открытие бозона Хиггса — важнейшей из экспериментально не найденных частиц Стандартной Модели (СМ) — а также поиск явлений физики вне рамок СМ. Также большое внимание планируется уделить исследованиям свойств W и Z-бозонов, ядерным взаимодействиям при сверхвысоких энергиях, процессам рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t). Первый ускоритель частиц Большого Адронного Коллайдера <img src="//otvet.imgsmail.ru/download/a8eb220f8208c7595066392bc1dfb56b_i-857.jpg" >
Если я не ошибаюсь, это электроный ускоритель атомов. При ускорении атомы сталкиваются, что при этом появляется и происходит учёных и интересует.
это новый шаг в будущее)))
<a rel="nofollow" href="http://www.utro.ru/articles/2008/07/18/752961.shtml" target="_blank">http://www.utro.ru/articles/2008/07/18/752961.shtml</a>
это не более, чем попытка Европы запугать остальной мир)))
Буквально это можно перевести как " столкновитель адронов", а так обычный научно-исследовательский прибор! Типа микроскопа только лежачий! Дорогой только! И очень хорошо что хоть где-то наука движется вперёд! А не только нефть продают!
touch.otvet.mail.ru
Зачем все-таки нужен адронный коллайдер?
Вы когда-нибудь задумывались откуда мы все появились? Задумывались как возникла наша Вселенная? И что было в начале всего? Конечно, это сложные вопросы на которые трудно дать ответы, однако, как это ни странно, приблизится к разгадкам всех этих тайн Вселенной, мы сможем с помощью труб, называемых адронным коллайдером.
Итак, в Дубне, в Институте Ядерных исследований, есть ускоритель Нуклотрон и вы только представьте, это настоящая машина времени! Он может «перенести» нас в прошлое более чем на 13 миллиардов лет. Итак, давайте же разберёмся, как же он это делает.
Зачем физикам вообще нужны ускорители? По сути, это их огромные микроскопы, они позволяют заглянуть вглубь материи и изучить её свойства. Конечно, всем знакомы обычные оптические микроскопы, но они ограничены длинной волны видимого света, поэтому в них невозможно разглядеть отдельные атомы, а тем более их структуру. Также существуют электронные микроскопы, в которых для освещения объекта, используется пучок электронов, а характерный размер электрона, меньше, чем длина волны видимого света, поэтому в такие микроскопы можно увидеть детали кристаллической решётки и отдельные атомы.
Но что, если хочется разглядеть ещё более мелкие детали? Тут возникает небольшая проблема: рассматриваемые элементы могут быть настолько малы, что частицы, которые используются для освещения, могут просто разрушить, то что мы исследуем. Но с другой стороны, это и хорошо, ведь по разлетающимся осколкам, мы можем более детально разглядеть строение вещества. Логично предположить, что чем больше скорость частиц при столкновении, тем условно на большее количество осколков можно разбить вещество и более детально его изучить. Именно поэтому физики и строят такие огромные ускорители, которые разгоняют и сталкивают частицы на скоростях, практически равных скорости света.
Ускоритель
Так как же устроены ускорители? Они бывают разных типов, но принцип один и тот же. В них используется сильное электрическое поле, чтобы разогнать частицы и сильное магнитное поле, чтобы изменить траекторию частиц и они двигались по окружности. Как раз здесь используются электромагниты из сверхпроводящих материалов, которые охлаждаются до очень низких температур (-269) и создают очень сильное магнитное поле. Раньше для этого использовался Синхрофазотрон, ускоритель, который был построен более 60 лет назад. Общий вес конструкции составляет 36 000 тонн. Такие масштабы связаны с тем, что в то время не умели сильно фокусировать пучок частиц, поэтому тоннель для их пролёта должен был быть огромным. Но всё же? Зачем всё это нужно? На ускорителях были найдены фундаментальные частицы материи, которые называются кварки. Мы знаем, что в центре каждого атома, находится ядро, которое состоит из протонов и нейтронов, которые как раз и состоят из кварков. Удерживаются вместе они благодаря особым силам, которые возникают из-за обмена перекидывания специальными виртуальными частицами — глюонами. При соударении частиц, кварки из которых они состоят по идее должны разлетаться в разные стороны. Однако они обладают следующим свойством. Мы не можем наблюдать кварки по отдельности, если два кварка будут удалятся друг от друга, то тогда между ними, в пустоте, возникнет ещё пара кварков, они притянутся к удаляемым и образуют с ними какие-то частицы. А при столкновении частиц, выделяется очень много энергии и она может преобразоваться в вещество имеющее массу, а точнее в кварки, которые обмениваются глюонами. Образование это может иметь размеры атомного ядра и называется кварк-глюонной плазмой. Это месиво из кварков и глюонов, которые ещё не успели объединиться в более крупные структуры. Именно в таком состоянии находилась наша Вселенная в первые миллионные доли секунды после большого взрыва. Только вообразите, когда-то, когда наша Вселенная была размером с футбольный мяч, когда ещё не существовало протонов и нейронов, она была с состоянии кварк-глюонной плазмы. И дальше события развивались так: через тысячную долю секунды, кварки начали объединятся в протоны и нейтроны, через сто секунд, появились первые ядра, через 380 000 лет начали образовываться первые атомы и только потом, через миллионы лет появились первые звёзды и галактики.
Последовательность событий
Но почему же галактики, звёзды, туманности, такие, а не какие-то другие? Ответы на эти вопросы можно получить, изучая то, что было в самом начале, то есть кварк-глюонную плазму. Так что ускорители, которые её создают, будут ещё долго служить на благо науке.
Кварк-глюонная плазма после столкновения частиц (разноцветные линии в центре)
Ускоритель Нуклотрон, станет частью масштабного проекта уровня mega science, под названием коллайдер NICA. Его ещё называют младшей сестрой (странно что сестрой, а не братом) большого адронного коллайдера, расположенного в Церне. Пока, никто не знает какую именно пользу, могут принести исследования в этой области, ведь они приносят плоды через десятилетия, но изучив материю на принципиально новом уровне, нам рано или поздно придёт осознание того, как это использовать. Нас может ожидать открытие новых измерений и параллельных Вселенных и многое другое, так что этот труд не напрасен.
Схема коллайдера NICA
upages.io
Узнать, почему окружающий мир вообще существует
Корреспондент «Чердака» съездил в Дубну и побывал в Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований, чтобы выяснить, как идут дела на стройке коллайдера NICA и что именно физики хотят узнать о мироздании с его помощью.
Добраться до Дубны проще всего на электричках, которые ходят несколько раз в сутки. И это совсем не похоже на путешествие в лабораторный комплекс, где собираются воссоздать первые мгновения после Большого взрыва. Вагон заполнен преимущественно дачницами, а после Дмитрова дорога становится одноколейной и к окнам поезда вплотную подбираются придорожные кусты.
Вокзал на станции Большая Волга увенчан огромной надписью «Наукоград Дубна», но общее впечатление скорее как от вполне обычного российского города на приличном отдалении от мегаполиса. Пустой зал ожидания (чего тут ждать, если электричка через два часа?), площадь с тремя автобусами, супермаркет. Чуть поодаль — кирпичные многоэтажки, жилые кварталы города.
Специфика места начинает ощущаться в автобусе. На карте маршрутов остановка с тривиальным названием «Кладбище» соседствует с куда менее распространенным «Тензором», а далее идут улицы, названные в честь разных ученых: вот улица Сахарова, вот улица Жолио-Кюри, дальше идут Флеров, Курчатов, Вавилов…
В старой — «институтской» — части города влияние большой науки уже ощущается более отчетливо: несколько кварталов застроено симпатичными трехэтажными домиками. В Москве и Подмосковье подобное жилье часто называют «немецкими домами» (их, по расхожей легенде, строили военнопленные), в них, как правило, жили сотрудники крупных предприятий или научных центров. Эркеры, обрамляющие высокие окна рамки, полукруглые балкончики — в России такая застройка выдает наличие наукоемкого объекта вернее таблички «улица Курчатова» или «Инженерная улица».
«Немецкий дом» в старой части города. Фото: Алексей Тимошенко / Chrdk. А когда попавшийся мне на площади перед городской администрацией мужчина в форме Росгвардии с ходу отвечает на вопрос, как пройти к площадке Лаборатории физики высоких энергий, становится понятно: я действительно в наукограде. Многие жители могут быть не в курсе того, что же именно происходит на территории за забором в лесу, но так или иначе происходящее там затрагивает всех. Даже в электричке на обратном пути подсевший дачник спросит у меня: «А что, коллайдер там работает или нет?»
Коллайдер и кубики
Коллайдер — это разновидность ускорителя, то есть устройства, которое разгоняет заряженные частицы до околосветовой скорости. Сейчас на Земле насчитывается около тридцати тысяч ускорителей, и большая часть их нужна не для научных исследований, а для сугубо прикладных задач вроде выжигания раковой опухоли пучком частиц — и это в массе своей не коллайдеры. Коллайдер не просто разгоняет частицы в кольцевой трубе с высоким вакуумом, но сталкивает их в строго определенных местах, для того чтобы при столкновении получилось нечто, интересующее исследователей. Коллайдеры строят для того, чтобы делать большую науку, они иногда занимают подземные комплексы размером с линию метрополитена, и это едва ли не самые сложные инженерные разработки в истории человечества.
Коллайдер, судьба которого волнует даже дачников, — это NICA. То есть Nuclotron-based Ion Collider fAcility, комплекс ионного коллайдера на базе Нуклотрона.
Нуклотрон, в свою очередь, ранее построенный в дубнинском Объединенном институте ядерных исследований ускоритель, а проект NICA основан на идее брать пучок частиц оттуда и разогнать до еще большей энергии.
Элементы сверхпроводящего ускорителя ядер и тяжелых ионов (он же Нуклотрон) в Лаборатории физики высоких энергий в Объединенном институте ядерных исследований. Фото: Екатерина Масленникова / Chrdk.
Масштабная стройка на территории Лаборатории физики высоких энергий идет с небольшим отставанием от графика. Ученые и инженеры ждут, когда строители закончат стены и перекрытия, чтобы начать монтаж своего оборудования. В 2021 году они рассчитывают пропустить через ускорители первые пучки частиц, а далее потребуется еще несколько лет для начала научной работы в полном объеме.
Сегодня NICA — это наполовину готовый каркас здания периметром более пятисот метров плюс несколько уже существующих сооружений. На дверях одного из них, внешне ничем не примечательного (какой-то завод? Склад? В любой промзоне от Лиссабона до Токио оно смотрелось бы совершенно естественно), висит табличка: «Ионизирующее излучение». Воображение рисует фантастические интерьеры, однако реальность оказывается одновременно и скучнее, и неожиданнее.
Научные установки в своей «естественной среде обитания» оказываются совершенно не похожи на фотографии Большого адронного коллайдера. Вместо эффектных конструкций, похожих то ли на портал в другой мир, то ли на двигатель инопланетного корабля, входящих встречает детский домик из кубиков. Ну как его обычно рисуют: три кирпичика в высоту, три в ширину, сбоку проход высотой в два кубика и дверь внутрь. Ощущение того, что ты столкнулся с детской игрушкой, не портят даже габариты: каждый «кубик» — метр в ширину, метр в высоту, три или четыре в длину. Эти стенки, перегораживающие цех в разных местах, призваны поглощать ионизирующее излучение в ходе экспериментов — пучок Нуклотрона имеет намного большую энергию, чем, скажем, те, которыми выжигают раковые опухоли. Попадание разогнанных до околосветовой скорости частиц в вещество сопровождается рождением множества иных частиц, и все они влияют на живые клетки не лучшим образом. Впрочем, как заверяют меня работающие в ЛФВЭ сотрудники, радиационный фон внутри зданий даже ниже, чем на улице и в обычных помещениях.
Взрослые дети
Некоторое ощущение игрушечности, которое возникло у меня при встрече с «кубиками», хорошо согласуется с впечатлением от комплекса в целом. ЛВФЭ называется лабораторией, но фактически представляет целый институт. «У нас около 1100 человек и почти квадратный километр территории, — говорит Владимир Кекелидзе, директор лаборатории. — Треть — физики, треть — инженеры и треть — все остальные Впрочем, деление на физиков и инженеров зачастую формально». Комплекс обнесен забором, территорию охраняют гвардейцы, на зданиях висят предупреждающие о радиации таблички, но воспринимается это совсем не так, как на атомной электростанции или комбинате по переработке ядерного топлива.
Комплекс NICA. Источник: nica.jinr.ru ЛФВЭ скорее кажется чем-то вроде очень большой песочницы, где вместо детей и игрушек — взрослые люди, которые разбирают на части ядра атомов и пытаются собрать из них нечто совершенно иное. Это ощущение разительно отличается от впечатления, которое производят другие сообщества «взрослых детей» — ролевиков, любителей настольных игр или фанатов комиксов. В Дубне все масштабнее: тут мужчины (перекос в сторону мужчин очень чувствуется) со слегка рассеянными взглядами не ограничивают себя ни рамками игрового поля, ни границами какой-либо вселенной — будь то сеттинг Dungeons and Dragons или канон Marvel. Вот вся реальная Вселенная — это другое дело, это подходящий масштаб для людей из ЛФВЭ.
Еще ЛФВЭ похож немного на пионерлагерь: сосновый лес, на дороге между корпусом коллайдера и административным зданием греется уж («Это не гадюка, гадюки так у нас не отрастают»), а за столовой стоит скульптурная группа — Ленин и Горький. «Ни Ленина, ни Горького тут не было, и они отношения к нашему институту не имеют, — поясняет Кекелидзе. — Но в шестидесятые годы эту скульптуру нашли в Москве и привезли сюда, а потом мы поменяли ее на памятник Векслеру. Старый памятник хотели было забрать военные, но у нас часть сотрудников выступила против, и мы просто переставили его на задворки».
Владимир Векслер, сменивший в свое время Ленина, считается одним из создателей синхротронов — ускорителей, которые позволяют сообщить частицам очень большие энергии. Большой адронный коллайдер, абсолютный рекордсмен на сегодня, является именно синхротроном. Векслер же стоял у истоков дубнинского синхрофазотрона, ускорителя, когда-то державшего мировой рекорд энергии частиц — полвека назад, с 1957 по 1960 год.
Здание синхрофазотрона, ускорителя, некогда державшего мировое первенство в энергии частиц. Сейчас внутри металлического ярма (большое кольцо, над которым перекинут мостик на фото) фактически новый ускоритель, и разобрать эту конструкцию можно только вместе со всем зданием. Фото: Марина Лысцева / ИТАР-ТАСС
Зачем все это?
Любой современный исследовательский комплекс в области физики высоких энергий позволяет создать ряд вполне практических технологий. Например, сверхпроводящие магниты, которые дубнинские физики делают для своей установки, обладают нужными характеристиками не только для коллайдера, но и для систем лучевой терапии в медицине.
Уникальные магнитные технологии, стойкая к радиации электроника (она должна работать внутри тех защитных периметров из бетонных блоков), сверхпроводящие системы для хранения энергии — все это дополняет главную задачу проекта — получение новых знаний, для которой требуется и стройка на территории в несколько гектаров, и содержание тысячи сотрудников.
«Но наша основная задача, — говорит Кекелидзе, — в понимании природы горячей плотной материи с плотностью даже выше, чем в недрах нейтронных звезд. Причем я подчеркну: именно в ядре звезды, а не на ее поверхности; это намного больше, чем в ядрах атомов».
Древние греки полагали, что мир состоит из комбинации четырех базовых элементов: земли, воды, воздуха и огня. Тысячелетия спустя в школьном учебнике физики пишут, что агрегатных состояний вещества тоже четыре — твердое, жидкое, газообразное и плазма (газ с ионизированными частицам). Но мир, конечно же, устроен намного интереснее: внутри нейтронных звезд ядра атомов сливаются в единую массу, а при еще больших давлениях сами нейтроны и протоны превращаются в мешанину из кварков с глюонами. Для изучения того, как корежит материю в безумных условиях, нам и нужны различные научные установки. Но в Дубне не просто так собираются получить кусочек сверхплотного вещества.
Новый коллайдер должен показать, что же происходит с материей в условиях, которых никогда не было на Земле. «NICA позволит понять, есть ли фазовый переход первого рода между разными состояниями очень горячего вещества, то есть происходит ли превращение разогретой плазмы в плотную горячую смесь кварков и глюонов плавно или скачком. Если сталкивать тяжелые ядра с не слишком большой энергией, они будут сжиматься, и расчеты показывают, что NICA сможет получить материю с максимальной плотностью — плотнее, чем в Большом адронном коллайдере или RHIC, американском ускорителе тяжелых ионов», — Кекелидзе рассказывает о будущих исследованиях и подчеркивает, что физики не просто гонятся за как можно большей энергией частиц.
Фазовый переход, о котором говорит исследователь, — это процесс превращения одного состояния вещества в другое. Классический пример — испарение или замерзание воды. Только теперь ученым интересно узнать, как «замерзло» вещество, заполнявшее Вселенную в ее далекой молодости.
«Это не моя идея, но она мне очень нравится: ускоритель для науки — это одновременно и микроскоп, и телескоп. Микроскоп — в силу своей способности показать строение материи на очень маленьких масштабах, а телескоп — потому что чем больше энергия, тем ближе к Большому взрыву. Конечно, достичь самых ранних моментов в жизни Вселенной мы не сможем — там энергии на много порядков больше реально достижимых, но все равно именно ускорители позволяют изучать то, что произошло в далеком прошлом. В гонке за энергией частиц наш институт однажды лидировал с синхрофазотроном на 10 ГэВ, а сейчас первенство принадлежит LHC. Долгое время работал тот принцип, что чем больше энергия, тем больше надежд найти что-то принципиально новое».
Именно повышение энергии частиц и строительство рекордного по этому параметру LHC позволило физикам убедиться в справедливости Стандартной модели. «Стандартная модель на сегодня — это триумф науки, она очень много всего предсказывает и многое объясняет. Далее мы можем двигаться еще дальше, но есть и то, что мы плохо понимаем в физике при меньших энергиях, — та же горячая плотная материя. Для ее описания одной Стандартной модели мало — там нужны дополнительные исследования».
Стандартная модель на сегодня — наиболее общая физическая теория. Она описывает все известные частицы и три фундаментальные силы из четырех, исключая лишь гравитацию. Шесть кварков, бозоны как переносчики взаимодействий, бозон Хиггса как источник массы частиц — это и есть Стандартная модель, которая, несмотря на свою универсальность, не позволяет объяснить все в нашей Вселенной. Физика, описывающая привычный нам макромир, а равно и ряд вопросов из более экстремальных областей, относятся к науке вне Стандартной модели.
Решение задачи о метаморфозах кварк-глюонной материи в начале времен позволит понять, как мешанина кварков и глюонов после самого рождения Вселенной превратилась в привычные нам протоны. С этим процессом сейчас связана загадка асимметрии обычного вещества и антиматерии, поскольку чисто теоретически протон (с электрическим зарядом +1, «собирается» из трех кварков) принципиально не отличается от антипротона (заряд -1, три антикварка). И протоны, и антипротоны должны были получаться примерно в равных долях с последующей аннигиляцией, но в этом случае привычная нам Вселенная просто не получилась бы, все обычные частицы «сократились» бы на свои антиподы, и ничего бы не было. Само по себе наличие материи указывает на какую-то асимметрию при превращении кварк-глюонной плазмы в частицы вроде протонов, и физики пока не знают, в чем дело. Поэтому если вопрос, на который призвана дать ответ NICA, сформулировать максимально просто, то он звучит так: почему мы и окружающий нас мир вообще существует?
Ускорители, конкуренция и сотрудничество
«Нам нужно получить вещество как можно большей плотности. Это значит, что нас не устраивает столкновение двух протонов с очень большой энергией: они дадут смесь кварков и глюонов на очень малое время, а затем все это разлетится — это совсем иная фаза кварк-глюонной материи. Нам нужно сталкивать тяжелые ядра атомов — чем тяжелее, тем лучше — и определенной энергией, от 4 до 11 ГэВ на нуклон, на одну частицу в составе ядра, один протон или нейтрон», — продолжает свой рассказ Кекелидзе.
«Американские физики построили RHIC — релятивистский коллайдер тяжелых ионов. Они получили частицы с энергией 200 ГэВ на нуклон при столкновении ядер золота, первыми сообщили об открытии кварк-глюонной плазмы в 2005 году, но на фазовой диаграмме они оказались слишком высоко и в левой части, — на этом месте я сажусь рисовать схемы, а Кекелидзе продолжает: — Это очень большая энергия при малой барионной плотности; мы и европейский ускоритель FAIR планируем попасть правее и ниже результатов RHIC».
Ускоритель FAIR сейчас строится в Германии. Заявленные исследовательские задачи у него примерно те же — получение горячей плотной материи, и возникает резонный вопрос о том, не получится ли из NICA очередной попытки скопировать некий зарубежный проект. «FAIR — это не коллайдер, а ускоритель с неподвижной мишенью. У него есть свои плюсы и свои минусы: с одной стороны, при попадании пучка ионов в мишень происходит намного больше столкновений, а с другой — детектор у места столкновения может зафиксировать только те частицы, которые полетели вперед, в направлении исходного пучка. Есть хорошая метафора: стрельба по мишени и попытка попасть пулей в пулю. Мы пытаемся попасть пулей в пулю, но зато у нас есть возможность зарегистрировать все продукты реакции, куда бы они ни летели. Для некоторых задач это очень важно, а в некоторых нужно просто получить как можно больше столкновений, так что NICA и FAIR скорее дополняют друг друга, чем конкурируют между собой. Более того, FAIR использует нашу магнитную технологию и наша фабрика магнитов — она здесь, на территории ЛФВЭ — сейчас загружена в том числе их заказами», — отвечает мне на это Кекелидзе.
Детектор на американском коллайдере RHIC в процессе сборки. Во время работы такой снимок сделать не выйдет — все будет закрыто биологической защитой. Тонкая труба в центре — то место, где после монтажа будут сталкиваться частицы. Фото: Brookhaven National Laboratory / CC BY-NC-ND 2.0
Следующий вопрос — «А почему нельзя просто взять существующие большие коллайдеры — тот же RHIC или LHC — и понизить их энергию так, чтобы попасть в интересующую область?» — тоже получает ответ: «Да, ученые из Брукхэвенской лаборатории (США) предложили проект по понижению энергии на RHIC до 7 ГэВ на нуклон и запросили соответствующее финансирование. Проект принят и, возможно, в следующем году там уже начнутся такие эксперименты. Но проблема заключается в том, что коллайдер, изначально спроектированный на существенно большую энергию, слишком большой и не сможет работать в оптимальном режиме. Вследствие этого у него будет в тысячи раз меньшая светимость, чем у оптимально спроектированной машины, а значит, и в тысячи раз меньшая статистика. Поэтому наиболее интересные задачи, особенно поисковые, вряд ли удастся решить».
Светимость коллайдера не имеет ничего общего со светом или иным излучением. В первом приближении эта величина пропорциональна числу столкновений в секунду внутри площадки заданного размера, и чем она выше, тем больше шансов обнаружить нечто интересное. Сгустки из ядер атомов в массе своей свободно пролетают друг через друга, некоторое небольшое число частиц проходит на небольшом расстоянии, и лишь единицы сталкиваются лоб в лоб, рождая материю с искомыми характеристиками.
***
Таксист, который везет меня к станции, много рассказывает про город, преимущественно делая упор на новые стройки. Где-то это «огромный район, куда всякие программисты приехать должны», а где-то «вот, торчит скелет цеха, еще один хотели построить, да так и не начали». Про коллайдер и жизнь на территории ЛФВЭ водителю, впрочем, известно немного, и уже он сам спрашивает, что за стройка располагается внутри охраняемого периметра и для чего этот коллайдер. Приходится даже развеивать старую страшилку про черные дыры.
— А черные дыры там возникнуть могут или это всё глупости?
— Глупости. Про черные дыры в ускорителях писали в 2008 году, когда собирались Большой адронный коллайдер запускать. Но там много шума наделал пересказ одной теоретической статьи, в которой было действительно сказано про гипотетические черные дыры. Проблема в том, что из той же теории следовало и мгновенное их испарение, да и размер был таким, что подобные черные дыры не то что Землю, они отдельный атом не втянут.
— О, понятно. А то я про это часто слышу! У нас этот коллайдер больше про стройку — знакомые там работают, говорят, что приличные деньги платят.
Слово «коллайдер» вряд ли станет частью чего-то осязаемого и прикладного — его не ждет судьба, скажем, лазера, ставшего из научной экзотики и хайтека повседневным предметом с лотка торговца в электричке. Но в Дубне коллайдер все-таки всегда близко. От взрослых детей, стремящихся разобрать материю на составные части, до того, что принято называть «наукоемким производством», не так уж далеко. По одну сторону забора строят ускоритель и пытаются получить кусочек материи со времен Большого взрыва, по другую сторону делают точные приборы или пишут программы. Несколько набившая оскомину идея о наукоградах и инновациях здесь действительно себя проявляет вживую.
chrdk.ru
Зачем вообще нужен LHC? • Устройство и задачи Большого адронного коллайдера
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет очевидную пользу — их можно съесть. Острый нож тоже полезен на практике. А вот электродрель с его точки зрения — бессмысленная вещь: ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается чрезвычайно полезной.
Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Причин тут две.
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.
elementy.ru
