БАК – большой адронный коллайдер
- Область знаний: «Физика»
- Тема: «БАК – большой адронный коллайдер».
- Автор:Киреев Александр, учащийся 10 класса МОУ Коробовской СОШ с углубленным изучением отдельных предметов.
- Руководитель: Чудин Николай Васильевич, учитель физики МОУ Коробовской СОШ с углубленным изучением отдельных предметов
Содержание
Введение. БАК - большой адронный коллайдер
Прочитав в прессе и увидев по ТВ информацию о БАКе (Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) ‑ ускоритель, предназначенный для разгона элементарных частиц (в частности, протонов). Находится на территории Франции и Швейцарии и принадлежит Европейскому совету по ядерным исследованиям. (Приложение 1). Я решил изучить этот вопрос поподробнее.
Идея сооружения Большого адронного коллайдера появилась в 1984 году, однако официально была одобрена лишь десять лет спустя. Строительство Большого адронного коллайдера началось в 2001 году, после завершения работы другого ускорителя ‑ Большого электрон‑позитронного коллайдера .
- Цель: Изучить информацию о БАКе
- Объект исследования: БАК
- Предмет исследования: изучить информацию о БАКе и выяснить цель его применения
Основная часть
Большой адронный коллайдер располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км (том самом, который прежде занимал Большой электрон‑позитронный коллайдер) на глубине порядка от 0,05 до 0,17 км. В целях удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, которые будут работать при температуре 1,9 градуса по шкале Кельвина (или же минус 271,3 градуса по шкале Цельсия, что лишь немногим превышает отметку абсолютного нуля). Предполагается, что скорость разогнанных протонов составит 0,999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн.
Специалисты надеются, что с помощью ускорителя смогут получить наиболее достоверную информацию о происхождении Вселенной.
Большой адронный коллайдер ‑ самая сложная экспериментальная установка и самый высокоэнергичный ускоритель элементарных частиц в мире. По своим параметрам он превосходит протон‑антипротонный коллайдер Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory, штат Иллинойс, США) и релятивистский коллайдер тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, штат Нью‑Йорк, США). Общая стоимость проекта, осуществляемого при активном содействии российских специалистов из Курчатовского института (Москва), Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И.Алиханова (Москва), Института физики высоких энергий (Протвино, Московская обл.), Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (Новосибирск) и прочих научно‑исследовательских учреждений, превышает 8 млрд долларов.
11 и 24 августа 2008 года на Большом адронном коллайдере прошли успешные предварительные испытания, а на 10 сентября 2008 года намечен его запуск.
История
Большой адронный коллайдер, БАК, - ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Работы на коллайдере предполагается начать в 2007 году. Постепенно, шаг за шагом, эти открытия изменили нашу повседневную жизнь, подарив нам приемники, телевизоры, компьютеры, томографию, Интернет... Однако, в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые мы надеемся получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. Пока же наши знания о Вселенной недостаточны. Физики считают, что Вселенная возникла в результате, так называемого, "Большого взрыва" материи. Вначале все было сжато в очень маленьком объеме, не более песчинки. Все частицы, из которых сегодня состоит вещество, все вокруг нас и мы в том числе еще должны были сформироваться. Спустя 15 миллиардов лет Вселенная стала такой огромной, что даже свет проходит ее насквозь за миллионы лет. Сегодня мы живем в "холодной" Вселенной, где существуют четыре, вполне определенные силы, действующие на вещество: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное взаимодействия. В более раннем возрасте, когда Вселенная была "горячее", возможно, эти силы проявлялись одинаково.Физики, занимающиеся частицами, надеются создать единую теоретическую основу, чтобы доказать это, и некоторые успехи уже достигнуты в этом направлении. Физики смогли объединить две силы - электромагнитного и слабого взаимодействия - в единой теории в 1970 году. Эта теория, называемая "электрослабой", была подтверждена экспериментально в ЦЕРН несколько лет спустя, и проведенные исследования были удостоены Нобелевской премии. Две другие силы - гравитационное и сильное взаимодействия - остались вне этой теории. В дальнейшем удалось электрослабую теорию объединить с теорией сильного взаимодействия, и такая объединенная теория получила название Стандартной модели. Бесспорно эта теория - одно из выдающихся достижений человеческого разума XX столетия, но она оставляет пока многие проблемы нерешенными.
Модель БАК
В июле на границе Франции и Швейцарии бул запущен Большой адронный коллайдер, создававшийся на протяжении 14 лет. Это самый большой в мире ускоритель элементарных частиц. На глубине 100 метров по кольцу диаметром 27 километров заряженные частицы будут разгоняться почти до скорости света. (Приложение 2).
Будет воссоздана модель Большого взрыва, благодаря которому и появилась наша вселенная. Протонам предстоит столкнуться с невиданной доселе энергией – 14 терраэлектронвольт – в миллион раз больше, чем при единичном термоядерном синтезе (но всего в 1000 раз больше чем при сверхвысоких энергетических ливнях, происходящих в нашей атмосфере).Сталкиваясь, они образуют миллионы осколков, которые и предстоит исследовать. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение, - и -лучи. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она? Теперь у нас есть ответы на эти вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Ускоритель БАК окружностью 27 км будет работать при температуре на 300° ниже комнатной - это холоднее, чем температура открытого космоса.
С их помощью ученые надеются значительно продвинуться в понимании, откуда появилась материя и время (очень оптимистические предположения). В большом адронном коллайдере физики хотят поймать бозон Хиггса, именуемый также “частицей Бога”. На теоретическом обосновании ее существования строятся все современные теории происхождения вселенной. Если “частицу Бога” не найдут, все аккуратно выведенные физиками законы окажутся всего лишь неверными гипотезами (вот только признают ли это в случае отрицательного результата).
Принцип работы
Почему элементарные частицы имеют массу? Почему их массы различны?
(Приложение 3). Так ли, что явно различные силы природы в действительности только проявление одной силы? По-видимому, во Вселенной не осталось больше антивещества. Почему? Проблема происхождения массы - самая обескураживающая. Удивительно, что это всем хорошо известное понятие и так мало изучено. Ответ, может быть, кроется в рамках Стандартной модели, в положении, которое называется механизмом Хиггса. Согласно ему, все пространство заполнено "хиггсовскими" полями. Частицы приобретают свои массы посредством взаимодействия с этими полями. Частицы, сильно взаимодействующие с хиггсовскими полями, - тяжелые, те же, которые взаимодействуют слабо, - легкие. Хиггсовское поле ассоциируется, по крайней мере, с одной новой частицей - хиггсовским бозоном. Если эта частица существует, ее смогут обнаружить с помощью ускорителя БАК. Самой популярной остается идея об объединении всех сил в единой теории, названной теорией суперсимметрии или SUSY, для краткости. Предполагается, следуя этой теории, что для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер. Если SUSY верна, эти суперсимметричные частицы должны быть найдены с помощью ускорителя БАК. Антивещество задает новую загадку, которую нам поможет разгадать ускоритель БАК. Естественно предположить, что во время рождения Вселенной, в момент "Большого взрыва", создалось одинаковое количество вещества и антивещества, однако сегодня мы живем во Вселенной, состоящей, по всей видимости, целиком из вещества. Куда же девалось антивещество? Сначала думали, что антивещество представляет собой только совершенное отображение вещества. Таким образом, если вы заместите вещество антивеществом и посмотрите на результат в зеркало, вы не обнаружите разницы. Однако мы теперь знаем, что отображение неадекватно, и это могло привести к дисбалансу вещества и антивещества. Ускоритель БАК явится прекрасным "зеркалом" для наблюдения антивещества, которое позволит нам подвергнуть Стандартную модель самому жесточайшему испытанию. Таким образом, существует, немало вопросов, ответы на которые могут быть найдены с помощью ускорителя БАК. Но история уже показала, что выдающиеся открытия в науке часто бывают непредсказуемы. Хотя у нас есть представление о том, что мы хотим найти с помощью Большого адронного коллайдера, Природа может преподнести нам очередной сюрприз. Так или иначе, он изменит наше миропонимание.Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использова- лись ранее в других ускорителях ЦЕРН. Сверхпроводимость позволяет получить такие поля, но никогда ранее не строилась такая большая "сверхпроводящая" установка. Плодотворная научно-исследовательская работа, проведенная совместно с промышленностью, показала, что сооружение такой установки реально. Первое испытание целой опытной секции ускорителя в конце 1994 года явилось значительной вехой в осуществлении проекта. Так как БАК будет ускорять два пучка, двигающихся в противоположных направлениях, то реально они будут представлять два ускорителя в одном. Для того чтобы ускоритель по возможности был компактным и экономичным, магниты также разместят в едином "два-в-одном" корпусе. Ускоритель БАК будет встроен в тот же самый туннель, в котором работал коллайдер ЛЭП. Таким образом, его сооружение будет стоить гораздо дешевле, чем строительство подобного ускорителя на вновь отведенном участке. До введения протонных пучков в БАК их будут ускорять на уже существующих, последовательно соединенных ускорителях. Практика использования ускорителей, взаимосвязанных таким способом, сделала ЦЕРН самой многопрофильной фабрикой в мире по получению пучков частиц.
По мнению некоторых специалистов, существует отличная от нуля вероятность того, что процессы, сопровождающие эксперименты на ускорителе, выйдут из‑под контроля и приведут к цепной реакции, которая будет способна уничтожить всю планету. В связи с этим для ускорителя было придумано второе ‑ неофициальное ‑ наименование, имеющее прежнюю аббревиатуру: Последний адронный коллайдер (Last Hadron Collider, LHC).
По заверениям же исследователей, принимавших участие в реализации проекта, подобный вариант развития событий вряд ли представляется возможным.
Использование. Проблемы использования
Но Уолтера Вагнера и Луиса Санчо пугает не это. Ученые в своем любопытстве зашли слишком далеко. При столкновении частиц с такой энергией в ускорителе могут образоваться межвременные завихрения или Российские участники проекта говорят, что само появление подобных дыр почти невероятно. Но в любом случае их не стоит путать с астрономическими черными дырами. Со своей ничтожной массой рукотворные завихрения просуществуют меньше секунды. Узнать, была ли дыра, можно только изучив продукты распада фотонов.
По своему научному значению пуск коллайдера под Женевой намного превосходит даже полет на Луну. Над его созданием 14 лет работали ученые 40 стран. Размах исследований столь огромен, что предсказать результаты фактически невозможно. Физики уверены лишь в одном – они не изобретатели, а исследователи. То есть все то, что будет создано в ускорителе, уже существует миллиарды лет.
А вот как человечество распорядится открытиями, создаст атомную бомбу или электростанцию – вопрос даже не завтрашнего дня. Все передовые разработки созданы на теоретической базе 19 века (вот с этого и нужно начинать).
После первого пуска в июле еще год уйдет у ученых на настройку сложнейшей аппаратуры. Но уже сейчас начались международные переговоры о строительстве линейного ускорителя следующего поколения длиной пятьдесят километров. Среди пяти возможных площадок неплохие шансы имеет территория рядом с подмосковной Дубной. Правда, эти работы начнутся не раньше 2020 года. Проблемы с электричеством повлияли на систему охлаждения коллайдера. Работа останавливалась на день из-за мелких проблем с подачей напряжения на одном из узлов. В одном месте заменили транформатор, т.к. был отключен главный компрессор креогенной систем . В трубках по которым двигаются протоны, создан вакуум наподобие космического. Чтобы предотвратить протечки, инженеры отыскивают столь крохотные отверстия и трещины, что будь такое отверстие в автомобиле камере, она сдулась бы только через 10 тыс. лет.
Новый сбой произошел в работе БАК. Один из магнитов ускорителя вышел из сверхпроводящего в обычной состояние, а также произошла утечка гелия в тоннеле.
Группа хакеров взломала компьютерную систему CERN (Европейский центр ядерных исследований) организации, кодирующей проект БАК. Серьезного вреда коллайдеру однако хакеры не принесли. Кроме того, хакеры повредили один из файлов CERN. Сейчас он недоступен.
Заключение
Рабочая гипотеза: Если применять БАК, то это позволит учёным взглянуть на проблему создания истории вселенной по другому.
Метод исследования – описательный
Фантазия природы выглядит пока неограниченной, а её загадки – многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком вселенской головоломки, подняться её понимания.
Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Эти нестабильные частицы – невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить. Уж так устроена природа – свойства самых разных частиц глубоко связанные друг с другом.
Изучение хиггсовского механизма натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубоко, чем стандартная модель.
За последние годы выдвинуто огромное число интересных и необычных идей относительно устройства нашего мира. Во время эксперимента эти теории можно либо опровергнуть, либо подтвердить.
Если микроскопические черные дыры смогут родиться на коллайдере, то они тут же будут, то они тут же будут распадаться и дыры просто не успеют начать поглощать.
Благодаря ему физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее, смоделировать большой взрыв в «лабораторных условиях».
