Реферат: Адронный коллайдер за и против:. Реферат адронный коллайдер

Реферат: Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер

Парфенов К. В.

Большой адронный коллайдер (LHC, от английского Large Hadron Collider) – одна из наиболее впечатляющих по своим масштабам экспериментальных установок современной физики. Он расположен на глубине около ста метров под землей в кольцевом тоннеле длиной 26,7 км. Пучки протонов и антипротонов, двигаясь по кольцу навстречу друг другу, будут разгоняться электрическими полями на специальных ускорительных станциях до энергий 7 ТэВ (терраэлектронвольт, или 1012 электронвольт). Кроме того, предполагается производить ускорение ядер свинца. Для удержания и фокусировки пучков используется 1624 сверхпроводящих магнита, которые работают при температуре 1,9 К (около -2710С). Поэтому для поддержания их работы требуется целая «фабрика» по производству жидкого гелия. Расчетное потребление энергии коллайдером во время работы составляет 180 МВт (мегаватт). Для сооружения ускорителя и системы из шести детекторов, которые будут собирать информацию о процессах, происходящих при столкновениях частиц, потребовалось объединить усилия многих стран. Активное участие в этих работах принимает и Россия.

Для чего же потребовались все эти технические ухищрения и весьма немалые затраты средств? Физики рассчитывают с помощью LHC получить ответы на целый ряд важнейших вопросов о строении материи и свойствах пространства и времени. Рассмотрим кратко основные направления исследований, планирующихся на LHC. Исследования физики микромира, проводившиеся на протяжении второй половины ХХ века, привели к созданию Стандартной Модели (СМ), которая на базе квантовополевых представлений успешно описывает практически все наблюдаемые нами микропроцессы. Согласно СМ, весь материальный мир состоит из кварков (образующих, в частности протоны и нейтроны, то есть ядерную материю) и лептонов (наиболее известным из которых является электрон). Взаимодействие кварков и лептонов происходит посредством обмена частицами-переносчиками: глюонами (сильное взаимодействие), W± и Z0 – бозонами (слабое взаимодействие) и фотонами (электромагнитное взаимодействие). Существенной чертой СМ является то, что частицы приобретают массу за счет взаимодействия со скалярными полями, носящими название полей Хиггса. Экспериментальное наблюдение кванта этих полей – хиггсовского бозона – позволит окончательно убедиться в справедливости логики СМ и внести «завершающие уточнения» в ее конструкцию. Именно для решения этой задачи энергии LHC являются очень «подходящими»: либо хиггсовский бозон будет найден, либо можно будет сделать вывод о необходимости существенного реформирования СМ. На самом деле, главной целью экспериментов на LHC является именно поиск информации, позволяющей выйти за рамки «стандартной» физики. Главным недостатком СМ является отсутствие описания гравитационного взаимодействия, которое, как поняли физики благодаря Общей Теории Относительности Эйнштейна и созданным после нее другим теориям гравитации, тесно связано со свойствами пространства и времени. В последней четверти ХХ века теоретики предложили целый ряд необычных идей для включения гравитации в фундаментальные теории микромира: существование дополнительных (помимо трех пространственных и одного временного) измерений (эта идея получила косвенное подтверждение в наблюдениях за расширением Вселенной), суперсимметрию, теории суперструн и другие. Однако выбрать среди предлагаемых теорий наиболее правильную на базе имеющихся экспериментальных данных оказалось невозможно: в области низких энергий их предсказания совпадают. Можно сказать, что, пройдя «территорию СМ» почти до конца, физики оказались на распутье, не снабженном никакими указателями для выбора нужного пути среди многих дорог. Данные, которые планируются получить на LHC, могут подтвердить справедливость некоторых из идей (например, обнаружение тяжелых суперпартнеров «обычных» частиц будет веским подтверждением идеи суперсимметрии).

Есть и еще несколько направлений исследований, которые имеют большое значение: изучение кварк-глюонной плазмы может помочь понять строение некоторых астрофизических объектов и стать основой будущей энергетики, изучение свойств тяжелых кварков может позволить получить сведения об их внутреннем строении, то есть проникнуть на еще более глубокий уровень изучения строения материи, изучение пучков высокоэнергетичных частиц позволит усовершенствовать методы «чтения» информации, приносимых космическими лучами, и многое другое.

В последнее время LHC приобрел широкую известность из-за выступлений средств массовой информации и некоторых исследователей о возможности глобальных катастрофических последствий пуска коллайдера. Они основаны на предположениях о возможности рождения на LHC некоторых гипотетических объектов: микроскопических черных дыр (ЧД), «зародышей» новых вакуумов, «червоточин» пространства-времени, магнитных монополей и гиперустойчивых ядер с примесью странных кварков («страпелек»). Далее к этим предположениям присоединяются новые – о возможности катастрофического влияния этих объектов на Землю. Все перечисленные «опасности» трудно признать реалистичными. Даже возможность существования этих объектов до сих пор не установлена. Кроме того, масштаб энергий LHC не является «критическим» для их рождения. Например, типичные энергии, которые требуются (согласно большинству из теорий, допускающих такие события) для рождения микро-ЧД, «зародышей» и «червоточин» превосходят энергии LHC в 1015 (миллион миллиардов) раз, магнитных монополей – в 1012 раз. Поэтому вероятность рождения этих объектов катастрофически мала даже с точки зрения теорий, допускающих их существование. В теориях, где такая вероятность несколько выше (но все равно очень мала с «житейской» точки зрения), эти объекты обычно очень нестабильны и исчезают, не успев причинить никакого вреда. Для рождения стабильных страпелек энергии LHC напротив, слишком большие. Суммируя сказанное, можно сделать вывод о том, что аккуратный теоретический анализ не дает оснований хоть какую-нибудь из «опасностей» считать серьезной. Помимо теоретических, есть и практические причины не верить катастрофическим ожиданиям. В самом деле, энергии, достигнутые на уже существующих установках (например, «Тэватрон» лаборатории имени Э.Ферми и релятивистский коллайдер тяжелых ионов Брукхейвенской лаборатории), лишь на порядок уступают энергиям LHC. Эта разница существенна с точки зрения поиска бозона Хиггса или изучения свойств топ-кварка, но не является очень существенной для упоминающихся «опасных» событий. Если бы они могли происходить на LHC, физики бы обязательно увидели хоть какие-нибудь их проявления в статистике событий этих установок. Однако ничего похожего не наблюдалось. Кроме того, в просторах видимой части Вселенной немало астрофизических объектов, генерирующих пучки частиц с энергиями, о которых земные экспериментаторы даже и не мечтают. К тому же плотность потока частиц в этих пучках существенно превосходят все, что есть на Земле. Частицы с энергиями, превышающими энергии LHC, присутствуют в космических лучах, попадающих в атмосферу Земли. Наблюдения за всеми этими явлениями также не обнаруживают признаков рождения катастрофически опасных частиц.

Человечество сейчас сталкивается с целым рядом проблем, каждая из которых грозит глобальной катастрофой: экологические кризисы, нарастающая нестабильность мира по отношению к социальным, военным и техногенным катастрофам, процессы деградации в морально-этической сфере. Вряд ли стоит концентрировать свое внимание на проблемах надуманных – полезнее заняться решением реальных.

www.referatmix.ru

Реферат: Большой адронный коллайдер 2

Реферат

Большой адронный коллайдер

Подготовила:

Ученица 11 класса

Жибуль Мария

Жодино

2010

Большой адронный коллайдер

Это стабильная версия, отпатрулированная19 октября 2010 .

Состояние

отпатрулирована

Координаты: 46°14′00″ с. ш.6°03′00″ в. д. / 46.233333° с. ш. 6.05° в. д. (G) 46.233333, 6.05

Детекторы и предускорители БАК . Траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно). Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона (PS), через него — в протонный суперсинхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в туннель БАК.Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS, соответственно.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

П оставленные задачи

Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. 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.

Изучение топ-кварков

Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона в БАК — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.

Изучение механизма электрослабой симметрии

Фейнмановские диаграммы, показывающие возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон Хиггса

Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ/c²). На самом деле, физиков интересует не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнёт физиков на новую теорию мира, более глубокую, чем СМ.

Изучение кварк-глюонной плазмы

Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS

Поиск суперсимметрии

Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. диаграммы Фейнмана). Таким образом, исследуя столкновения протонов, косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики[7] . Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов. То есть, фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение.

Проверка экзотических теорий

Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями».

Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными.

Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений.

Другое

Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z -бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t ).

Технические характеристики

Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года)

Детектор ATLAS в процессе сборки (февраль 2006 года)

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14×1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5×109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029 частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5×1032 до номинальной 1,7×1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер.

Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — 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.

Россия принимает активное участие как в строительстве БАК, так и в создании всех детекторов, которые должны работать на коллайдере.

Регистрация частиц, образовавшихся после столкновения в детекторе CMS

Детекторы

На БАК будут работать 4 основных и 2 вспомогательных детектора:

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

LHCf (The Large Hadron Collider forward)

MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детектор CMS

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b -кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forwardparticles), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц. С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжелых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения планируется проводить одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Процесс ускорения частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

По словам российского ученого Игоря Иванова, 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 невооруженным глазом. Такая энергия достигается за счет колоссальной скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя примерно за 0,0001 сек. То есть совершают около 10 тысяч оборотов в секунду.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Вопросы безопасности

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, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.

Строительство и эксплуатация

27-километровый подземный туннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

Строительство

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 ноября2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов.
27 ноября2006 года установлен в туннеле последний сверхпроводящий магнит.

Испытания и эксплуатация

2008 год

Детектор ATLAS, ноябрь 2006 г.

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.
10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки.
12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.
19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Ремонт коллайдера занял остаток 2008-го и большую часть 2009-го годов.
21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.

2009 год

16 октября завершено охлаждение всех восьми секторов коллайдера.
20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу Большого адронного коллайдера.
29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире.
9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 * 1180 ГэВ).

2010 год

18 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.
30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.
На 22 апреля2010 года собрана статистика, позволяющая уточнить для случая недоступной ранее энергии протон-протонных столкновений ряд параметров, плохо вычислимых из первых принципов. В частности, оценено количество заряженных частиц, рождающихся в столкновении, а также их распределение по псевдобыстроте. Эти данные позволят более эффективно наладить анализ данных, поступающих с детекторов.
24 июня показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов.
19 августа получено ограничение на энергию возбуждённых состояний кварков для моделей, где такие состояния существуют.
19 сентября эксперимент LHCb представил первые данные по рождению прелестных мезонов.
22 сентября обнаружен новый физический эффект, не предсказанный существующей теорией. Среди сотен частиц, которые рождаются при столкновении протонов, обнаружились пары, движения которых связаны друг с другом. Тем не менее данный эффект не стал для экспериментаторов полной неожиданностью, поскольку очень похожий эффект был обнаружен в 2007 году в столкновении ядер на коллайдере RHIC. В случае столкновений ядер предлагается следующее объяснение. Летящие с околосветовой скоростью ядра сильно сплющиваются в продольном направлении и выглядят скорее «блинами», чем «шариками». В первый момент после столкновения два ядра-«блина» пролетают друг сквозь друга, но столкновение не проходит для них незаметным, и в пространстве между ними возникает совершенно особое состояние материи, которое получило название «глазма», glasma(англ.), и из которого затем получается комок кварковых и глюонных полей.

Теоретические расчёты показывают, что в «глазме» глюонные силовые поля формируются между двумя пролетевшими ядрами в виде продольных трубок. Каждая такая трубка растянута в большом диапазоне по полярным углам, но имеет фиксированный азимутальный угол. Эта трубка получается вытянутой вдоль потому, что именно в этом направлении движутся частицы. Когда она распадётся на частицы, то они в момент рождения оказываются автоматически скоррелированными по азимутальному углу.

4 октября начались эксперименты с 200 сгустками на пучок. Светимость БАКа в таком режиме работы превысила 6·1031 см-2 с-1 , то есть возросла в 10 000 раз с момента первых столкновений на полной энергии 7 ТэВ.

Планы на ближайшие несколько лет

2010—2011 годы

Научная работа ближайших месяцев будет сочетаться с техническими мероприятиями, целью которых является повышение светимости коллайдера. На 11 апреля 2010 года светимость составляет одну десятимиллионную от расчетного значения. Для её повышения необходимо:

увеличить число сгустков в пучке (сейчас 2 сгустка, проектное значение — 2808)
увеличить число частиц в сгустке (сейчас 10 миллиардов, расчетное число — 100 миллиардов)
улучшить фокусировку пучков в точках столкновений (сжать пучки).

Также были планы в 2010 году выделить время (порядка месяца) на проведение ион-ионных столкновений.

Научная отдача за это время будет невелика, очень сомнительно, что бозон Хиггса будет обнаружен или что БАК позволит качественно улучшить результаты Теватрона по его поиску. Тем не менее, работая даже на энергии 3,5 ТэВ, БАК за предстоящий сеанс работы может собрать статистику, сопоставимую в плане научной значимости с суммарной собранной статистикой Теватрона.

В таком режиме (3,5 ТэВ) БАК должен проработать до лета или осени 2011 года.

2012 и далее

После сеанса научной работы 2010-2011 гг. коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно займёт весь 2012 год или более длительное время. После ремонта ожидается повышение энергии протонов до проектной энергии в 7 ТэВ на пучок.

Планы развития

После того, как LHC выйдет на проектную энергию и светимость, планируется провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, в первую очередь SPS, что позволит заметно повысить светимость коллайдера (проект Super-LHC).

Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC). Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC.

Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее.

Распределённые вычисления

Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHC Computing GRID ), использующая технологию грид. Для определённых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путем моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычисленийLHC@home. Также рассматривается возможность использования проекта LHC@home для обработки полученных экспериментальных данных, однако основные сложности связаны с большим объемом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры (сотни гигабайт)[45] .

Научные результаты

По состоянию на 20 октября 2010 года подтверждённых научных результатов пока нет.

Финансирование проекта

Оценить общую стоимость проекта сложно, так как строительство самого ускорителя и его экспериментов (детекторов) финансируется отдельно, в финансировании участвует много стран, и не все деньги идут непосредственно через CERN. К тому же, ремонт ускорителя уже обошёлся дороже, чем ожидалось.

В 2001 году ожидалось, что общая стоимость проекта составит около 4,6 млрд швейцарских франков (3 млрд евро) за сам ускоритель (без детекторов) и 1,1 млрд швейцарских франков (700 млн евро) составит доля CERN в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов).

Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 2,6 млрд швейцарских франков (1,6 млрд евро), с добавочными 210 млн франков (140 млн евро) на эксперименты. Однако, как следствие сокращения бюджета CERN, стоимость была сокращена в 2001 году до 480 млн франков (300 млн евро) за ускоритель и 50 млн франков (30 млн евро) на эксперименты, что привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года.

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. Доля российских учёных в этом международном проекте тоже немалая. В нём задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 миллионов долларов[50] .

Также следует учесть, что официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших в CERN инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование LHC смонтировано в тоннель ранее существовавшего коллайдера LEP, и используется многокилометровое кольцо SPSв качестве предварительного ускорителя. В противном случае, если бы БАК пришлось строить с нуля, то стоимость БАК возросла бы в разы.

БАК в искусстве

В CERN есть филк-группа Les Horribles Cernettes, аббревиатура которой совпадает с аббревиатурой БАК (LHC от англ. Large Hadron Collider ). Первая песня этого коллектива «Collider» была посвящена парню, который забыл о своей девушке, будучи увлечённым созданием коллайдера.
В научно-фантастическом телесериале Лексс (TheLexx, 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.
В шестой серии тринадцатого сезона мультсериала Южный Парк с помощью магнита из Большого адронного коллайдера была достигнута сверхсветовая скорость на конкурсе Дерби соснового леса (PinewoodDerby).
В фильме «Ангелы и демоны» антивещество из Большого адронного коллайдера было украдено, и похитители хотели взорвать с помощью него Ватикан.
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.
В 13 серии 1 сезона канадского научно-фантастического сериала «Одиссей 5» главные герои попадают в CERN, где местные учёные и сотрудники уверяют, что БАК полностью безопасен, основываясь на предварительных расчетах. Однако, как выяснилось позже, одна из форм киберразума взломала и проникла в главный компьютер CERN и подделала общие расчёты. Выяснив это, основываясь на новых верных расчетах, учёные выясняют, что появляется большая вероятность появления странников в коллайдере, что неизбежно приведет к концу света.

www.yurii.ru

Реферат: Большой адронный коллайдер 2

Реферат

Большой адронный коллайдер

Подготовила:

Ученица 11 класса

Жибуль Мария

Жодино

2010

Большой адронный коллайдер

Это стабильная версия, отпатрулированная19 октября 2010.

Состояние

отпатрулирована

Координаты:46°14′00″ с. ш.6°03′00″ в. д. / 46.233333° с. ш. 6.05° в. д.(G)46.233333, 6.05

Детекторы и предускорители БАК. Траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно). Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона (PS), через него — в протонный суперсинхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в туннель БАК.Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS, соответственно.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ.collide— сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Поставленные задачи

Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера

Изучение топ-кварков

Изучение механизма электрослабой симметрии

Изучение кварк-глюонной плазмы

Моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS

Поиск суперсимметрии

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. диаграммы Фейнмана). Таким образом, исследуя столкновения протонов, косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики[7]. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов. То есть, фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

Проверка экзотических теорий

Другое

Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойствWиZ-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (bиt).

Технические характеристики

Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года)

Детектор ATLAS в процессе сборки (февраль 2006 года)

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14×1012электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5×109электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5×1032до номинальной 1,7×1034частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер.

Регистрация частиц, образовавшихся после столкновения в детекторе CMS

Детекторы

На БАК будут работать 4 основных и 2 вспомогательных детектора:

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

LHCf (The Large Hadron Collider forward)

MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

Детектор CMS

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физикиb-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forwardparticles), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц. С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжелых частиц.

Процесс ускорения частиц в коллайдере

Потребление энергии

Вопросы безопасности

Строительство и эксплуатация

27-километровый подземный туннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

Строительство

19 ноября2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов.
27 ноября2006 года установлен в туннеле последний сверхпроводящий магнит.

Испытания и эксплуатация

2008 год

Детектор ATLAS, ноябрь 2006 г.

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.
10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки.
12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.
19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Ремонт коллайдера занял остаток 2008-го и большую часть 2009-го годов.
21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.

2009 год

16 октября завершено охлаждение всех восьми секторов коллайдера.
20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу Большого адронного коллайдера.
29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире.
9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 * 1180 ГэВ).

2010 год

18 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.
30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.
На 22 апреля2010 года собрана статистика, позволяющая уточнить для случая недоступной ранее энергии протон-протонных столкновений ряд параметров, плохо вычислимых из первых принципов. В частности, оценено количество заряженных частиц, рождающихся в столкновении, а также их распределение по псевдобыстроте. Эти данные позволят более эффективно наладить анализ данных, поступающих с детекторов.
24 июня показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов.
19 августа получено ограничение на энергию возбуждённых состояний кварков для моделей, где такие состояния существуют.
19 сентября эксперимент LHCb представил первые данные по рождению прелестных мезонов.
22 сентября обнаружен новый физический эффект, не предсказанный существующей теорией. Среди сотен частиц, которые рождаются при столкновении протонов, обнаружились пары, движения которых связаны друг с другом. Тем не менее данный эффект не стал для экспериментаторов полной неожиданностью, поскольку очень похожий эффект был обнаружен в 2007 году в столкновении ядер на коллайдере RHIC. В случае столкновений ядер предлагается следующее объяснение. Летящие с околосветовой скоростью ядра сильно сплющиваются в продольном направлении и выглядят скорее «блинами», чем «шариками». В первый момент после столкновения два ядра-«блина» пролетают друг сквозь друга, но столкновение не проходит для них незаметным, и в пространстве между ними возникает совершенно особое состояние материи, которое получило название «глазма», glasma(англ.), и из которого затем получается комок кварковых и глюонных полей.

4 октября начались эксперименты с 200 сгустками на пучок. Светимость БАКа в таком режиме работы превысила 6·1031см-2с-1, то есть возросла в 10 000 раз с момента первых столкновений на полной энергии 7 ТэВ.

Планы на ближайшие несколько лет

2010—2011 годы

увеличить число сгустков в пучке (сейчас 2 сгустка, проектное значение — 2808)
увеличить число частиц в сгустке (сейчас 10 миллиардов, расчетное число — 100 миллиардов)
улучшить фокусировку пучков в точках столкновений (сжать пучки).

Также были планы в 2010 году выделить время (порядка месяца) на проведение ион-ионных столкновений.

В таком режиме (3,5 ТэВ) БАК должен проработать до лета или осени 2011 года.

2012 и далее

Планы развития

Распределённые вычисления

Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHCComputingGRID), использующая технологию грид. Для определённых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путем моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычисленийLHC@home. Также рассматривается возможность использования проекта LHC@home для обработки полученных экспериментальных данных, однако основные сложности связаны с большим объемом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры (сотни гигабайт)[45].

Научные результаты

По состоянию на 20 октября 2010 года подтверждённых научных результатов пока нет.

Финансирование проекта

БАК в искусстве

В CERN есть филк-группа Les Horribles Cernettes, аббревиатура которой совпадает с аббревиатурой БАК (LHCот англ.LargeHadronCollider). Первая песня этого коллектива «Collider» была посвящена парню, который забыл о своей девушке, будучи увлечённым созданием коллайдера.
В научно-фантастическом телесериале Лексс (TheLexx, 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.
В шестой серии тринадцатого сезона мультсериала Южный Парк с помощью магнита из Большого адронного коллайдера была достигнута сверхсветовая скорость на конкурсе Дерби соснового леса (PinewoodDerby).
В фильме «Ангелы и демоны» антивещество из Большого адронного коллайдера было украдено, и похитители хотели взорвать с помощью него Ватикан.
В фильме «Конец света» (англ.EndDay) производства BBC последним из четырёх наиболее вероятных сценариев апокалипсиса являлась авария при запуске новейшего ускорителя элементарных частиц, повлекшая за собой образование чёрной дыры.
В 13 серии 1 сезона канадского научно-фантастического сериала «Одиссей 5» главные герои попадают в CERN, где местные учёные и сотрудники уверяют, что БАК полностью безопасен, основываясь на предварительных расчетах. Однако, как выяснилось позже, одна из форм киберразума взломала и проникла в главный компьютер CERN и подделала общие расчёты. Выяснив это, основываясь на новых верных расчетах, учёные выясняют, что появляется большая вероятность появления странников в коллайдере, что неизбежно приведет к концу света.

superbotanik.net

Московская Педагогическая Гимназия-лаборатория Ускорители и Большой адронный коллайдер (2)

ГОУ гимназия № 1505

Московская Педагогическая Гимназия-лаборатория

Ускорители и Большой адронный коллайдер

Реферат ученика

9 класса «Б» Ермолаева Ивана Александровича

научный руководитель Наумов Алексей Леонидович

Москва 2010

Я выбрал эту тему, потому что она одна из самых популярных тем в наше время, так как с помощью Большого адронного коллайдера ученые изучают самую глубинную суть нашего мира. Они пытаются найти ответы (хотя бы приблизительные) на вопросы о свойствах материи, сил, пространства-времени.

Частицы, из которых состоит окружающий нас мир, живут совсем по другим законам, чем окружающий нас «макроскопический» мир. Не зная эти законы, трудно понять, что же изучается на Большом адронном коллайдере. Поэтому, не стремясь охватить здесь всю физику элементарных и нестабильных частиц, я постараюсь рассказать лишь про некоторые явления в микромире, имеющие прямое отношение к экспериментам на LHC1.

Мой реферат можно будет использовать на уроках физики и химии при изучении элементарных и нестабильных частиц. Также я считаю, что мой реферат пригодится ученикам 9-11 классов и студентам физических вузов.

Глава 1.

Частицы. Ускорители.

“Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий”. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Современные ускорители это огромные установки, достигающие в размерах нескольких километров. Самые большие ускорители из ныне работающих это Теватрон и Большой Адронный Коллайдер, первый находится в соединенных штатах Америки, а второй на границе Швейцарии и Франции. Существует множество различных видов ускорителей, но прежде чем перейти к их рассмотрению я расскажу вам принцип работы любого ускорителя.

Основные принципы работы ускорителей и коллайдеров

Основная схема ускорения частиц предусматривает три стадии: 1) формирование пучка и его инжекция, 2) ускорение пучка и 3) вывод пучка на мишень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.

Формирование пучка и его инжекция. Исходным элементом любого ускорителя служит инжектор, в котором имеется источник направленного потока частиц с низкой энергией (электронов, протонов или других ионов) и высоковольтные электроды и магниты, выводящие пучок из источника и формирующие его. В источниках протонов первых ускорителей газообразный водород пропускался через область электрического разряда или вблизи раскаленной нити. В таких условиях атомы водорода теряют свои электроны и остаются одни ядра – протоны. Такой метод (и аналогичный с другими газами) в усовершенствованном виде по-прежнему применяется для получения пучков протонов (и тяжелых ионов).

Источник формирует пучок частиц, который характеризуется средней начальной энергией, током пучка, его поперечными размерами и средней угловой расходимостью. Показателем качества инжектируемого пучка служит его эмиттанс, т.е. произведение радиуса пучка на его угловую расходимость. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц с высокой энергией. По аналогии с оптикой ток частиц, деленный на эмиттанс (что соответствует плотности частиц, деленной на угловую расходимость), называют яркостью пучка. Во многих приложениях современных ускорителей требуется максимально возможная яркость пучков.

Ускорение пучка. Пучок формируется в камерах или инжектируется в одну или несколько камер ускорителя, в которых электрическое поле повышает скорость, а следовательно, и энергию частиц. В первых, простейших ускорителях энергия частиц увеличивалась в сильном электростатическом поле, созданном внутри высоковакуумной камеры. Максимальная энергия, которую при этом удавалось достичь, определялась электрической прочностью изоляторов ускорителя. Во многих современных ускорителях в качестве инжекторов еще используются электростатические ускорители электронов и ионов (вплоть до ионов урана) с энергиями от 30 кэВ2 до 1 МэВ.

Получение высокого напряжения и сегодня остается сложной технической проблемой. Его можно получать, заряжая группу конденсаторов, соединенных параллельно, а затем подключая их последовательно к последовательности ускорительных трубок. Таким способом в 1932 Дж.Кокрофт и Э.Уолтон получали напряжения до 1 МВ. Существенный практический недостаток этого способа в том, что на внешних элементах системы оказывается высокое напряжение, опасное для экспериментаторов.

Если требуется не непрерывный пучок, а короткий импульс частиц с высокой энергией, то можно воспользоваться тем, что кратковременно (менее микросекунды) изоляторы способны выдерживать гораздо более высокие напряжения. Импульсные диоды позволяют получать напряжения до 15 МВ на каскад в схемах с очень низким импедансом. Это позволяет получить токи пучка в несколько десятков килоампер, а не в десятки миллиампер, как на электростатических ускорителях.

Обычный способ получения высокого напряжения основан на схеме импульсного генератора Маркса, в которой батарея конденсаторов сначала заряжается параллельно, а затем соединяется последовательно и разряжается через один разрядный промежуток. Высоковольтный импульс генератора поступает в длинную линию, которая формирует импульс, задавая его время нарастания. Линия нагружается электродами, ускоряющими пучок.

Глава 2.

Большой Адронный Коллайдер (БАК).

LHC — сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер. «Большим» он назван из-за своего размера (его периметр составляет примерно 27 км), «адронным» — потому что он ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами (то есть частицами, состоящими из кварков), «коллайдером» — потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом. LHC находится на территории Швейцарии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на глубине около 100 метров (раньше в этом же туннеле располагался электрон-позитронный коллайдер LEP). Исследования на нём координирует ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований, но реально работают на нём десятки тысяч человек из самых разных стран и организаций.

В LHC можно выделить сам ускоритель и несколько детекторов, построенных вокруг точек столкновения протонов. В самом ускорителе протоны разгоняются до энергии 7 ТэВ на протон, так что полная энергия в системе центра масс двух сталкивающихся протонов равна 14 ТэВ. В каждом из двух встречных пучков — многие миллиарды протонов, поэтому полная энергия, запасенная в пучке, очень велика, она примерно равна кинетической энергии летящего самолета. Детекторы — это отдельные экспериментальные установки, по своей сложности не уступающие самому ускорительному кольцу. На LHC работает сразу несколько экспериментов, каждый со своим детектором. Два самых главных — это ATLAS и CMS.

Задачи, стоящие перед LHC

В этом подразделе я хочу рассказать вам о задачах LHC; обычно утверждается, что целью LHC является открытие хиггсовского бозона. Несмотря на всю важность этой задачи, это всего лишь один из пунктов довольно обширной научной программы LHC. А сейчас я расскажу вам об основных пунктах этой программы:

Изучение хиггсовского механизма

Физиков интересует, на самом деле, не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубокую, чем Стандартная модель. Хиггсовский бозон — это «частица-отголосок» этого механизма; его просто удобнее всего изучать именно через открытие и изучение хиггсовского бозона. Научная программа LHC, разумеется, не ограничивается одним лишь обнаружением бозона Хиггса, но и включает в себя многочисленные задачи по доскональному изучению его свойств.

Поиск суперсимметрии

Суперсимметрия — это очень сильная и глубокая теоретическая идея об устройстве нашего мира. Она пока не подтверждена экспериментом, но, возможно, LHC сможет найти ее проявления.

Изучение топ-кварков

Топ-кварки — самые тяжелые из известных на сегодня фундаментальных частиц, причем они намного тяжелее всех остальных кварков. Это наводит физиков на мысль, что топ-кварки могут играть важную роль в самом процессе нарушения электрослабой симметрии. Кроме того, топ-кварки могут оказаться удобным рабочим инструментом для поиска хиггсовского бозона. Всё это требует внимательного изучения свойств топ-кварков на LHC.

Изучение кварк-глюонной плазмы

На LHC будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца (ожидается, что примерно 1 месяц в году будет проходить в режиме ядерных столкновений). При лобовом столкновении двух ультрарелятивистских ядер на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход в состояние кварк-глюонной плазмы и ее остывание) очень нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которое окажется очень полезным как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится еще сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, или даже друг с другом.

Проверка экзотических теорий

Теоретики за последние годы выдвинули огромное число интересных и необычных идей относительно устройства нашего мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большими дополнительными пространственными измерениями, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия и т. д.

Все эти теории могут показаться странными и необычными, но они не вступают в противоречие с имеющимися пока экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для LHC, экспериментаторы планируют проверять эти предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на LHC, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций. Впрочем, остается, конечно, и шанс, что какая-то из этих экзотических теорий «попадет в точку». Если это открытие произойдет, то за ним последует новый период бурного развития физики элементарных частиц.

Общий вид

LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рисунке 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.

Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC

Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.

Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных — ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора — TOTEM и LHCf.

В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.

Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.

Заключение

Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.

Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.

В экспериментах на ускорителях высоких энергий изучаются самые экстремальные состояния материи. Хотя эти экстремальные состояния возникают в крошечных объемах и на совершенно ничтожное время, эти объекты всё же «чужеродны» для привычного нам мира. Поэтому при проектировании новых ускорителей на сверхвысокие энергии полезно задавать себе вопрос: не могут ли эксперименты на этом ускорителе нанести вред окружающему нас миру?

Этот вопрос был, разумеется, поставлен перед началом работы над созданием LHC, и на него был дан отрицательный ответ. Физики-экспериментаторы — по-хорошему консервативные люди, и если бы существовали малейшие поводы для реальных сомнений в безопасности LHC, события развивались бы совсем иначе.

Для того чтобы максимально объективно изучить и изложить положение вещей, при LHC была создана специальная группа LSAG (the LHC Safety Assessment Group), которая снова перепроверила вопросы безопасности LHC. Ее окончательный отчет основан на более свежих теоретических, экспериментальных и наблюдательных данных и подтверждает, а иногда и усиливает более ранние выводы (подобные отчеты делались и раньше, в том числе и для других ускорителей).

Ниже перечислены четыре возможности, которые, в принципе, могли бы привести к «катастрофическому сценарию» экспериментов на LHC. Для каждого варианта кратко описано, при каких теоретических предположениях он мог бы реализоваться, и затем приведены экспериментальные или астрофизические данные, которые доказывают безопасность LHC.

Главный аргумент против «катастрофического сценария» заключается в том, что, по меркам природы, LHC — очень скромный эксперимент. Когда космические лучи бомбардируют Землю, то время от времени происходят столкновения, энергетически эквивалентные столкновениям на LHC. За всё время существования Земли она «накопила» столкновений в сто тысяч раз больше, чем планируется набрать на LHC за время его работы. Если же принять во внимание другие небесные тела, то число возрастает на порядки. Оценено, что каждую секунду во Вселенной происходят миллионы экспериментов, превосходящих LHC по энергии и количеству столкновений.

В прессе иногда пишут, что, согласно ЦЕРНу, официальная оценка вероятности катастрофического сценария — 1 шанс к 50 миллионам. Это неверная информация. Во-первых, в отчетах по безопасности фигурирует не сама вероятность, а ограничение сверху на эту вероятность (то есть утверждается, что эта вероятность заведомо меньше некоторого предела, но какая она на самом деле, не утверждается). Оценить вероятность того, что какая-то экзотическая теория окажется верной, вряд ли возможно, а из наблюдательных данных (то есть отсутствия свидетельств разрушения небесных тел под действием космических лучей) ничего, кроме ограничения сверху, определить нельзя. Во-вторых, фигурирующие в отчете ограничения сверху на много порядков меньше этого числа.

Список литературы

Сайт «Ускорители заряженных частиц» /enc/nauka_i_tehnika/fizika/USKORITEL_CHASTITS.html

Сайт «Большой адронный коллайдер» /LHC

Сайт «Ускорители заряженных частиц» /fulltext/1/001/008/114/616.htm

«Теория циклических ускорителей» книга Коломенского А.А. и Лебедева А.Н.

1 LHC — сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер.

2 Энергия ядерных частиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт – это энергия, которую приобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (заряд электрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В. (1 эВ » 1,60219Ч10–19Дж.) Ускорители позволяют получать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (1012) электронвольт – на крупнейшем в мире ускорителе.

refdb.ru

Адронный коллайдер за и против

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет культуры и искусств

Кафедра «Связи с общественностью»

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Экология»

Тема: «.Адронный коллайдер: за и против»

Студентка: Прусакова В.А.

Группа: 436

Москва 2010

Введение.

Большой адро́нный колла́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — 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 Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Большим БАК назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26,73 км; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах. Руководитель проекта — Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Поставленные задачи.

Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера

Изучение топ-кварков

Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c²[6]. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. 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, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.

Изучение механизма электрослабой симметрии

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 массеhttp://ru.wikipedia.org/wiki/LHC - cite_note-6. Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ/c²). 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.

Изучение кварк-глюонной плазмы

Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходитьв ускорителе в режиме ядерных столкновений. Будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS

Поиск суперсимметрии

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. диаграммы Фейнмана). Таким образом, исследуя столкновения протонов, косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики[8]. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов. То есть, фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

Проверка экзотических теорий

Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений.

Другое

Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойствWиZ-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (bиt).

Технические характеристики

Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года)

Детектор ATLAS в процессе сборки (февраль 2006 года)

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14×1012электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5×109электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5×1032до номинальной 1,7×1034частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — 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.

Процесс ускорения частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протоновhttp://ru.wikipedia.org/wiki/LHC - cite_note-Bunch-11 направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

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.

Опасность Большого адронного коллайдера.

Первая серьезная оценка безопасности ускорителя была проведена перед запуском Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) в Брукхэвенской национальной лаборатории США в 1999 году. Никакой угрозы не нашли. Однако в БАКе тяжелым ионам будет придаваться еще большая энергия - до 14 тераэлектронвольт (для сравнения: средняя энергия условной молекулы воздуха при комнатной температуре меньше в 560 триллионов раз), а спектр экспериментов еще шире. Поэтому в начале двадцать первого века руководство ЦЕРНа поручило специальной комиссии в составе шести ученых из Великобритании, Германии, Дании, Франции и Швейцарии проанализировать все вообразимые опасности, которые может представлять новый ускоритель. В 2003 году отчет комиссии был опубликован.

Широкой общественности удовольствие испытывать страх перед возможностями ЦЕРНа доставил писатель Дэн Браун. В его романе "Ангелы и демоны", вышедшем в свет в 2000 году, группа злоумышленников похищает из ЦЕРНа некоторое количество антивещества и намеревается с его помощью взорвать Ватикан. В связи с огромной популярностью книги ЦЕРН счел необходимым опубликовать прекрасную популярную статью о том, насколько роман правдоподобен с научной точки зрения.

В отчете комиссия рассматривает опасности трех основных типов: отрицательно заряженные страпельки (фрагменты странной материи), черные дыры и магнитные монополи. В популярной статье рассказывается главным образом об антивеществе (и о ЦЕРНе вообще).Кварки - фундаментальные элементарные частицы, из которых состоят адроны (в частности, протоны и нейтроны). Известно шесть типов кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный.

Страпельки ("странные капельки", англ. strangelets) - гипотетические объекты, состоящие из странной материи - условно говоря, свободных кварков (верхних, нижних и странных), не объединенных в адроны. Предполагается, например, что из нее состоят некоторые нейтронные звезды, однако их обычно страпельками не называют, сохраняя это слово для небольших объектов.

По одной из гипотез (внимание: по одной из гипотез!), попадание отрицательно заряженной страпельки на Землю может привести к тому, что вся планета превратится в странную материю: сталкиваясь с ядром какого-нибудь атома, страпелька вызывает его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии и разлетанием во все стороны страпелек - получается цепная реакция.

Авторы отчета отмечают, что существование страпелек пока не доказано. Даже если предположить, что они существуют, то, по современным теориям, в БАКе не будет условий для их возникновения - а даже если возникновение все-таки произойдет, страпелька не сможет просуществовать сколь-нибудь значительное время и распадется прежде, чем начнется "опасная" цепная реакция. Наконец, принимая самые невыгодные для себя предположения, что страпельки могут возникнуть и оказаться сравнительно устойчивыми, авторы доказывают, что опасности они представлять не будут - в частности, потому, что заряд их с большой степенью вероятности окажется не отрицательным, а положительным (то есть они будут отталкиваться от положительно заряженных ядер, а не притягиваться к ним).

Теоретически представимо возникновение в коллайдере гравитационного феномена - черной дыры, очень маленькой, но от того не менее опасной. Авторы отчета, однако, доказывают, что возникновение устойчивой черной дыры невозможно. Даже если дыра образуется, она не сможет аккрецировать (поглощать) материю, а к тому же благодаря излучению Хокинга испарится прежде, чем начнет представлять угрозу.

Магнитный монополь - еще один гипотетический объект, который можно описать примерно как полюс магнита, существующий отдельно от другого полюса магнита. Ни одного монополя пока не обнаружено - как ни дели любой магнит на части, он все равно имеет два полюса и остается диполем. Тем не менее, его существование теория не исключает, а одна из гипотез предполагает, что присутствие магнитных монополей может ускорить распад протона - тоже теоретическое и никогда не наблюдавшееся явление (протон предположительно имеет период полураспада порядка 1036 лет, что гораздо больше возраста Вселенной).

Авторы отчета доказывают, что даже если магнитный монополь на такое способен, даже если он возникнет в коллайдере и окажется устойчив, то он неизбежно скоро покинет Землю. До покидания он успеет уничтожить, по самым пессимистичным оценкам, 1018 протонов, что ничтожно мало.

Еще одним важным универсальным аргументом авторов отчета, которые, как читатель наверняка давно понял, пришли к выводу, что эксперименты ЦЕРНа безопасны, является уже само существование Земли. Наша планета постоянно подвергается воздействию космических лучей, энергии которых не уступают церновским (а то и превосходят их), - и до сих пор не уничтожена ни страпельками, ни черной дырой, ни магнитным монополем, ни чем-либо еще.

Что же касается антивещества, то все еще проще. В ЦЕРНе (и не только там) его действительно умеют производить и постоянно производят. Его столкновение с обычным веществом действительно приводит к аннигиляции: полному переходу материи в энергию по формуле E=mc2. Однако те количества антивещества, которые возможно произвести на Земле, не представляют никакой угрозы: их не хватило бы даже на самую маленькую бомбу, тем более что хранить и накапливать антивещество по понятным причинам исключительно трудно (а некоторые его виды - вообще невозможно).

Последствия запуска Большого адронного коллайдера.

Появление новой частицы

Исследователи, работающие на одном из детекторов Большого адронного коллайдера, впервые с начала работы ускорителя получили частицу, содержащую «красивый кварк» и «странный» антикварк.

Как говорится в сообщении на сайте детектора LHCb, на котором была «поймана» частица, ученым удалось реконструировать событие, по всем характеристикам совпадающие с распадом частицы, состоящей из кварка b (от «beauty» – «красивый» или «прелестный») и антикварка s (от «strange» – «странный»).

«Она возникла вместе с многими другими частицами в результате столкновения двух протонов, разогнанных до энергии 3,5 тераэлектронвольта. Мезон Bs, пролетев 1,5 миллиметра, распался на три другие частицы, одна из которых, мезон Ds, пролетев 6,5 миллиметра распалась на три долгоживущих частицы – мезоны K+, K- и пи-мезон. Траектории этих трех частиц были зафиксированы детектором LHCb. Полученные данные позволили с высокой точностью восстановить, какая именно частица стала их родоначальником», – пишут исследователи.

Детектор LHCb, один из четырех детекторов Большого адронного коллайдера, предназначен для поиска ответа на вопрос, почему наблюдаемая Вселенная состоит из обычной материи, а не из антиматерии и материи поровну. Для этого участники эксперимента будут изучать частицы, содержащие b-кварки – B-мезоны.

Эти частицы обладают уникальной способностью осциллировать, «переключаться» между состоянием частицы и античастицы. Как показали эксперименты на американском коллайдере Теватрон в Лаборатории имени Ферми, эти мезоны переключаются между двумя состояниями около трех триллионов раз в секунду.

Ранее в эксперименте LHCb удалось зафиксировать рождение мезона B+, состоящего из b-антикварка и u-кварка («верхнего» кварка). Впервые эта частица была обнаружена в 1980-х годах.

Гигантская магнитная воронка

На конверте «подозрительного» письма - ничего, кроме адреса: служба мониторинга климата Московской области. Как мы выяснили, такой службы нет. Но обвинения от ее имени есть:

«Работа Большого адронного коллайдера (БАК) является опасным вмешательством в природные процессы. Это связано с тем, что его деятельность создает мощные физические эффекты, которые активно взаимодействуют с окружающим пространством и оказывают на него масштабные влияния. Вот конкретно то, что происходит в коллайдере.

1.Включение магнитов (электромагнитов) БАКа создает мощную электродвижущую силу в виде магнитного поля внутри кольцевого туннеля и одновременно обширное вихревое магнитное поле внутри и снаружи кольца БАКа... При этом образуется гигантская воронка магнитного поля подобно существующим в районе северного и южного магнитных полюсов. Сам БАК формирует мощное магнитное поле - нечто похожее на третий магнитный полюс Земли. Эти вихревые движения активно смешивают разные энергетические процессы, нарушают равновесие в природе.

2. Вброс пучка протонов в экспериментальный туннель БАКа и движение этого пучка с гигантской энергией по кольцу коллайдера создают мощное магнитное поле перпендикулярно плоскости туннеля БАКа. Это тоже вносит дисбаланс в экосистему.

3. Столкновения встречных пучков протонов вызывают сильнейшие микровзрывы, которые отзываются на здоровье людей, климате Земли и солнечной активности».

Так, согласно расследованию неизвестного эксперта «резкие и масштабные изменения погоды произошли сразу после максимальных выделений энергии на БАКе в декабре 2009 года», когда температура воздуха упала ниже нормы на 10 градусов в Европе и России. А после дальнейшего увеличения энергии на БАКе весной 2010 года образовались обширные антициклоны, приведшие к убийственному пеклу летом в Центральной России. О других событиях автор кратко рассказывает в обширном обзоре, сопоставляя космические события (активность Солнца, землетрясения) и природные феномены (погода, животные, люди) с опытами, происходящими на БАКе.

Протоны столкнулись – вулкан проснулся

«2009 год. 3 октября в БАКе запущен первый пучок ионов. И в этот же день на Солнце появилось два пятна. 23 - 25 октября на БАКе опыты продолжаются - и 24 октября на Солнце возникло уже 9 пятен. 25 октября - 11 пятен. 26 октября - 18 пятен. 28 октября - 19 пятен! Причем новая область солнечной активности окружена гигантскими системами магнитных петель, которые простираются в корону на высоту порядка 100 тысяч км.

К середине декабря на БАКе было проведено свыше миллиона столкновений с энергиями 0,9 ТэВ. И зафиксировано 50 тысяч столкновений, прошедших со значением энергии 2,36 ТэВ. Последствия длились до середины февраля. Во многих регионах Северного полушария, в России в первую очередь, начались небывалые для этого времени холода - до 22 - 25 градусов С, которые держались до 7 января 2010 года.

3 января по неизвестной причине тысячи мертвых осьминогов выбросило на пляж португальского города Вила-Нова-де-Гайя. И неизвестно куда исчезли целые колонии морских львов с побережья Сан-Франциско.

12 января произошло землетрясение на Гаити силой в 7 баллов, унесшее жизни около 300 тысяч человек. А 8 и 12 февраля на Солнце произошли новые и самые мощные за последние пять лет вспышки.

27 февраля 2010 года на БАКе возобновились эксперименты после небольшого ремонта - и в Чили произошло землетрясение магнитудой 8 баллов. А на следующий день над Европой пронеслись мощные ураганы.

1 марта ученые доводят уровень энергии пучков до 7 ТэВ. И в этот день вновь на Европу обрушились ураганные ветры с порывами до 150 км в час.

20 марта на БАКе очередной эксперимент - и 21 марта в Исландии начинается извержение теперь всем известного вулкана Эйяфьяллайекюль, который спал 200 лет!

22 марта на БАКе был поставлен очередной рекорд энергии столкновения - и 23 марта в Китае бывший врач зарезал без всякой причины 8 школьников и ранил пятерых.

29 марта ученые фиксируют более 40 столкновений элементарных частиц в секунду - и в московском метро взорвали себя две террористки-смертницы.

3 июля ученые вывели установку на новый рекордный уровень разгона протонов - и 4 июля Солнце вызвало на Земле мощную магнитную бурю, а в центре России устанавливается аномальная жара».

Исследователь не считает обнаруженные им закономерности случайными. Не видит в них простые совпадения. И подчеркивает, что в те периоды, когда коллайдер останавливался из-за технических неисправностей, в мире все было спокойно.

Сегодня БАК снова на ремонте. Запустить его обещают в середине сентября. И если автор анонимки прав, то тогда нас ждет аномальная зима - или очень холодная, или очень теплая.

Заканчивает исследователь так: «Работа БАКа вызвала масштабные стихийные реакции в природе. Страны по всей планете несут колоссальные убытки. Так насколько соизмеримы обнародованные цели работы БАКа и вызванные при этом катастрофические следствия?»

Используемая литература.

1. Журнал «Популярная механика» www.popmech.ru

2. Дрёмин И. М. Физика на Большом адронном коллайдере.

3. Иванов Игорь. Столкновение на встречных курсах. Вокруг света

4. Статья из газеты «Комсомольская правда»

superbotanik.net

Реферат: Адронный коллайдер за и против:. Реферат адронный коллайдер

Реферат: Большой адронный коллайдер

Реферат: Большой адронный коллайдер 2

Реферат: Большой адронный коллайдер 2

Московская Педагогическая Гимназия-лаборатория Ускорители и Большой адронный коллайдер (2)

Оглавление

Адронный коллайдер за и против

Поставленные задачи.

Изучение топ-кварков

Изучение кварк-глюонной плазмы

Поиск суперсимметрии

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Проверка экзотических теорий

Другое

Технические характеристики

Процесс ускорения частиц в коллайдере

Смотрите также