Исследование технологий будущего с использованием ускорителя заряженных частиц - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Исследование технологий будущего с использованием ускорителя заряженных частиц

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
 

Перед человечеством постоянно возникают проблемы для решения которых требуются новые знания и технологии. Например, изучение появления незарастающих  «чёрных дыр», через которые может проникать убийственное излучение солнечные радиации большой мощности (это энергия превышает солнечную в сотни раз и возможность её использовать, человечеству) на Землю, природы магнитных бурь, утечки кислорода в космос, нестабильного поведения внешнего ядра Земли, смена магнитных полюсов планеты, изучение возможных границ нашей Вселенной и т.д.

Эти и другие вопросы учёные могут попытаться решить с помощью мощных ускорителей тяжёлых частиц такие, например, как большой адронный колайдер (БАК).

Описание «БАК»

Большой адронный коллайдер, сокр. БАК (англ. Large Hadron Collider, сокр. LHC) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, сокр. CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы (приложение 1). БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта - Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран. Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м[2]; адронным - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider - сталкиватель) - из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий.

Теория  суперсимметрии

Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» - например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Топ-кварк - самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц.

Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК - ассоциативное рождение вместе с  топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса - частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1960 году в рамках Стандартной Модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнёт физиков на новую теорию мира, более глубокую, чем СМ.

 Энергозатраты «БАКа»

На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории. Ускоритель расположен в той же горной выработке, которую прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер.

Горная выработка с длиной окружности 26,7 км проложена под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания горной выработки- от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние. На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора: Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт (приложение 2,3,4). Эти энергозатраты  - около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом.    Такая энергия достигается за счёт колоссальной скорости частиц, близкой к скорости света. Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

 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. 19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов. 27 ноября 2006 года установлен в горной выроботке последний сверхпроводящий магнит. Предполагается что столкновения протонных пучков будут происходить на суммарной энергии 7 ТэВ до конца октября 2011 года, после чего коллайдер несколько месяцев будет сталкивать ионы свинца.

 Планы на будущее

31 января 2011 года было принято решение продолжить работу коллайдера в 2012 году.Также в 2012 году возможно повышение энергии пучков до 4 ТэВ. После окончания сеанса работы в 2012 году коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно будет длиться не менее полутора лет и займёт весь 2013 год. После ремонта ожидается повышение энергии протонов до проектной энергии в 7 ТэВ на пучок. В планах на очень отдалённую перспективу обсуждается демонтаж БАК и использование освободившейся горной выработке и инфраструктуры для коллайдера нового поколения. Это могло бы повысить энергию на пучок протонов до 16ТэВ Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере: при трёх различных энергиях (0,9, 2,36 и 7 ТэВ) изучены основные статистические характеристики протонных столкновений - количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона; показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов; обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях; получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами , признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях; исследованы события рождения адронных струй; подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне; обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов .

Также были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты: лёгкие чёрные дыры; Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жестче. Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долларов. Именно столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством Европейской организации ядерных исследований. В проекте задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 млн долларов.

 Невероятная теория Уэйлера-Хо

В случае, если новая теория Тома Уэйлера (Tom Weiler) и Чуй Мэн Хо (Chui Man Ho) верна, то знаменитый Большой адронный коллайдер - самый крупный ускоритель частиц на планете - может стать первой машиной, при помощи которой можно будет осуществлять путешествия во времени.

Одна из главных задача коллайдера заключается в том, чтобы найти неуловимый бозон Хиггса: ту самую частицу, при помощи которой ученые намерены понять, почему такие частицы, как протоны, нейтроны и электроны наделены массой. Согласно теории Уэйлера-Хо, эти самые «синглеты» должны уметь прыгать в «еще одно», пятое измерение, где они в состоянии перемещаться во времени вперед или назад. "Однако, если ученые научаться управлять созданием синглетов Хиггса (Higgs singlets), человечество получит возможность посылать какие-то сообщения в прошлое или будущее", размышляет исследователь.

 Надежда учёных

Тем не менее, недавно коллайдеру были вновь приписаны некие сверхъестественные способности - его объявили ни много ни мало машиной времени. Причем сделали это не падкие на сенсации журналисты, а физики-теоретики. И так, профессор Уэйлер и его коллега предположили, что одновременно с рождением бозона Хиггса рождается его двойник - "синглет Хиггса". Однако он существует не в нашем мире, а в так называемом пятом измерении. Дело в том, что, согласно весьма популярной в настоящее время М-теории (также называемой "теорией суперструн"), существует не четыре (вместе со временем), а целых одиннадцать измерений. Соответственно, кроме нашей Вселенной существует еще множество параллельных. Механизмом, который может перебрасывать что-то из одной Вселенной в другую, согласно М-теории, является  хорошо известная нам гравитация.

Большой адронный коллайдер является крупнейшим в мире ускорителем элементарных частиц. Стоимость проекта составила 10 млрд долл.

С помощью БАК ученые надеются воссоздать условия, которые характеризовали Вселенную сразу после "Большого взрыва". Некоторые люди опасаются, что БАК в процессе экспериментов породит "черные мини-дыры", которые уничтожат планету.

Американские ученые считают, что Большой адронный коллайдер впоследствии сможет стать своеобразной машиной времени. Правда, людям путешествовать с помощью него в прошлое или будущее будет вряд ли возможно, однако пересылать информацию в другие эпохи он сможет. К такому выводу физики пришли после исследования некоторых свойств бозона Хиггса. В чем только ни обвиняли Большой адронный коллайдер (БАК)! И в том, что он уничтожит Землю, создав черную дыру (подробнее об этом читайте в статье "Конца света из-за коллайдера не будет"), и в том, что разогнанные в нем до больших скоростей частицы когда-нибудь вырвутся наружу и убьют все живое. Однако со временем страсти вокруг этого, несомненно, величайшего изобретения человечества несколько поутихли.

Заключение.

Таким образом (БАК) может дать нам необходимые знания и технологии для решения проблем таких как изучение появления не зарастающих «Чёрных дыр», природы магнитных бурь, утечки кислорода в космос, нестабильного поведения внешнего ядра земли изучение возможных границ нашей вселенной и т.д. Изучение Хигсового механизма нарушения симметрии электрослабого взаимодействия, может натолкнуть физиков, на новую теорию мира более глубокую, чем (СМ)  стандартная модель. Планируется повышение энергии на пучок протонов до 16 ТэВ. К главным задачам относятся поиски неуловимого бозона Хиггса. Недавно коллайдеру были приписаны и во все некие сверх естественные способности- его объявили немного-немало машиной времени. С помощью БАКа учёные надеются воссоздать условия, которые характеризовали Вселенную, сразу после «Большого взрыва». Исследование учёными БАКа поможет решить все эти и многие другие проблемы, и поэтому на него возложены огромные надежды.

Список литературы:

1.Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров.-4-е изд. -М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.-944 с.: ил.

2. Технологии будущего// популярная механика. - 2011. - №3 - С.40-47.

3. Ускоритель заряженных частиц// инженер. - 2011. - №7 - С.34-39.

Просмотров работы: 15