Адроны в коллайдере разгоняются до высоких скоростей благодаря – Пользуясь текстом, выберите из приведенных ниже утверждений верное утверждение и укажите его номер. 1) По виду Большой адронный коллайдер относится к линейным ускорителям. 2) В Большом адронном коллай

Содержание

Как ученые разгоняют частицы в адронном коллайдере? И что происходит при столкновении частиц?

 Пожалуй, напишу как БАК работает вообще.

 Вообразите себе обычный баллон со сжатым водородом. Вроде бы мелочь, но именно с него начинается работа самого большой ускорителя элементарных частиц в мире.

 Атомы водорода поступают в камеру подачи линейного ускорителя строго отмеренными порциями. Там от от них отделяют электроны( отрицательно заряженные элементарные частицы) оставляя только ядра водорода- протоны (положительно заряженные элементарные частицы). Как раз это положительный заряд позволяет давать им ускорение при помощи электрического поля. Дальше их сталкивают друг с другом, чтобы выделить большой объём энергии.  Кстати, эта модель повторяет те действия, которые происходили в момент Большого Взрыва. После протоны отправляют в линейный ускоритель. На выходе отсюда протоны будут двигаться со скоростью, равной 1/3 скорости света. Это всё первый этап.

 Теперь они готовы к второму этапу- попаданию в бустерЧастицы разделяют на 4 части, что максимально увеличить плотность их потока. Каждая часть поступает в отдельное кольцо бустера. Длина каждого кольца 137 м. Здесь применено круговое движение, поскольку линейное уже не эффективно. Чтобы придать большую скорость, частицы проходят по кругу много раз, причём на них воздействуют пульсирующим электрическим полем. Нужное направление регулируют магнитами, мощное излучение удерживают их на этой траектории. Здесь их разгоняют до 91,6% скорости света, собирая их в плотный пучок.

 После этого частицы из всех четырёх колец собираются вместе и поступают в фотонный синхротрон. Это наша третья ступень. Что же будет происходить с двумя такими порциями протонов? Длина синхротрона 628 м. Это расстояние протоны проходят за 1,2 секунды разгоняясь до 99.9% скорости света. Классно, неправда ли? Именно здесь достигается точка перехода. К энергии движения частиц прибавляется энергия электрического поля, но дальше частицы разгонятся почти не могут, запрещено природой.Но за счёт этого увеличивается масса протонов. Поэтому они не разгоняются, а становятся тяжелее. Кинетическая энергия( грубо, говоря, энергия движения, которая учитывает массу/скорость) измеряется в электрон вольтах. На этом этапе энергия каждой частицы равняется примерно 25 млрд. эВ, а масса протонов в 25 раз тяжелее, чем в состояние покоя.

 И так мы плавно перешли уже к четвёртая стадия- протонный супер синхротрон. Огромное 7-ми километровое кольцо. Его задача принять протоны с таким запасом энергии и увеличить его до 450 млрд. 

 Через некоторое время частицы будут готовы к перемещению в Большой Адронный Коллайдер. Это самая интересная, пятая часть. Расположен он на границе Франции и Швейцарии, в Европейских Альпах. БАК расположен глубоко под землёй и растянут на 27 км. В нём проложены 2 вакуумных трубы. По ним в противоположном направлении движутся пучки протонов. С помощью специальных устройств новые порции протонов поступают так, чтобы не мешать уже загруженным. Эти трубы пресекаются в четырёх точках, где стоят детекторы. Здесь протоны пересекаются друг с другом.  При столкновения энергия каждого пучка увеличивается в двое. Детекторы позволяют учёным следить за изменениями в местах столкновений. За полчаса в БАК поступают около 2800 порций частиц. Все это время коллайдер придаёт нашим частицам энергии.Каждую секунду, протоны проходят это круг более 11 тысяч раз (27км, между прочим!), постоянно получай импульсы электрического поля. Энергия каждого протона составляет уже 7 тера эВ, а масса в 7000 раз больше состояния покоя. Круговое движение сохраняет всё тоже магнитное поле. Оно так велико, что его электро магниты должны выдерживать электро ток силой в 12 тысяч ампер. А всё благодаря прекрасному охлаждению, в результате которого магниты становятся сверх проводимыми.

 Теперь протоны готовы к столкновению. Магниты регулируют нужную траекторию. Общая энергия двух сталкивающихся протонов равна 14 тера эВ. Это всплеск наблюдается в течении 2-ух секунд после столкновения. Траектория выделившихся в результате частиц анализируются компьютерами, к которым подключены детекторы.

 Теперь вы знаете как работает самое огромный, дорогой и самое крутой научный прибор в мире.

thequestion.ru

Несколько фактов о Большом адронном коллайдере

Почему адронный и что такое коллайдер?

Таинственное нaучнoe словосочетание перестает быть таковым, как только мы разберемся со значенем каждого из слов. Aдрoн – название класса элементарных частиц. Коллайдер – спeциaльный ускоритель, с помощью которого возможно передать элементарным частицам вещества высокую энергию и, разогнав до высочайшей скорости, вoспрoизвeсти иx столкновение друг с другом.

Почему о нем все говорят?

По мнению ученых Европейского центра ядерных исследований CERN, эксперимент позволит воспроизвести в миниатюре взрыв, в результате которого миллиарды лет назад образовалась Вселенная. Однако больше всего общественность волнует то, какими будут последствия мини-взрыва для планеты в случае неудачного исхода эксперимента. По мнению некоторых ученых, в результате сталкивания элементарных частиц, летящих с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях, образуются микроскопические черные дыры, а также вылетят другие опасные частицы. Полагаться же на специальное излучение, приводящее к испарению черных дыр особо не стоит – экспериментальных подтверждений тому, что оно работает, нет. Потому-то к такой научной инновации и возникает недоверие, активно подогреваемое скептически настроенными учеными.

Как работает эта штуковина?

Элементарные частицы разгоняются на разных орбитах в противоположных направлениях, после чего помещаются на одну орбиту. Ценность замысловатого устройства в том, что благодаря ему ученые получают возможность исследовать продукты столкновения элементарных частиц, фиксируемые специальными детекторами в виде цифровых фотокамеры с разрешением в 150 мегапикселей, способных делать 600 миллионов кадров в секунду.

Когда появилась идея создать коллайдер?

Идея строительства машины родилась еще в 1984 году, однако строительство туннеля началось только в 2001 году. Ускоритель расположен в том же туннеле, где прежде находился предыдущий ускоритель – Большой электрон-позитронный коллайдер. 26,7 – километровое кольцо проложено на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии.

10 сентября в ускорителе был запущен первый пучок протонов. В ближайшие несколько дней будет запущен второй пучок.

Во сколько обошлось строительство?

В разработке проекта участвовали сотни ученых всего мира, в том числе и российские. Его стоимость оценивается в 10 миллиардов долларов, из них 531 миллион в строительство адронного коллайдера вложили США.

Когда ждать конца света?

Первый эксперимент по столкновению пучков элементарных частиц намечен на 21 октября. До этого времени ученые планируют разогнать частицы до скорости, приблеженной к скорости света. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры нам не грозят. Однако в случае, если теории с дополнительными пространственными измерениями окажутся верны, у нас осталось не очень много времени, чтоб успеть решить все свои вопросы на планете Земля.

Чем страшны черные дыры?

Чёрная дыра — область в пространстве-времени, сила гравитационного притяжения которой настолько сильна, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут ее покинуть. Существования черных дыр подтверждается решениями уравнений Эйнштейна. Не смотря на то, многие уже представляют себе, как образовавшаяся в Европе черная дыра, разрастаясь, поглотит всю планету, бить тревогу не стоит. Черные дыры, которые, согласно некоторым теориям, могут появиться при работе коллайдера, согласно все тем же теориям, будут существовать на протяжении настолько короткого отрезка времени, что просто не успеют начать процесс поглощения материи. По утверждениям некоторых ученых, они даже не успеют долететь до стенок коллайдера.

Чем могут быть полезны исследования?

Помимо того, что данные исследования – очередное невероятное достижения науки, которое позволит человечеству узнать состав элементарных частиц, это еще не весь выигрыш, ради которого человечество пошло на такой риск. Возможно, в скором будущем мы с вами сможем воочию увидеть динозавров и обсудить наиболее эффективные военные стратегии с Наполеоном. Российские ученые полагают, что в результате эксперимента человечеству станет посильным создание машины времени.

Как произвести впечатление научно подкованного человека с помощью адронного коллайдера?

Ну и наконец, если кто-либо, заранее вооружившись ответом, спросит у вас, что же это такое адронный коллайдер, предлагаем вам достойный вариант ответа, способного приятно удивить любого. Итак, пристегнули ремни! Адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов на встречных пучках. Построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований и представляет собой 27-километровый туннель, проложенный на глубине 100 метров. В связи с тем, что протоны электрически заряжены, ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Они могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. Ученые побаиваются, что в результате эксперимента могут образоваться пространственно-временны́е «туннели» в пространстве, которые являются типологической особенностью пространства-времени. В результате эксперимента также может быть доказано существование суперсимметрии, которая, таким образом, станет косвенным подтверждением истинности теории суперструн.

gosha.su

10 фактов об устрашающем адронном коллайдере

Новость о проводимом в Европе эксперименте сколыхнула общественное
спокойствие, поднявшись на первые позиции списка обсуждаемых тем.
Адронный коллайдер засветился всюду – на ТВ, в прессе и интернете. Что
уж говорить, если жж-юзеры создают отдельные сообщества, где уже сотни
неранодушных активно высказали свое мнения по поводу нового детища
науки. «Дело» предлагает вам 10 фактов, которые нельзя не знать об
адронном коллайдере.   

1. Почему адронный и что такое коллайдер?

Таинственное
научное словосочетание перестает быть таковым, как только мы разберемся
со значенем каждого из слов. Адрон – название класса элементарных
частиц. Коллайдер – специальный ускоритель, с помощью которого возможно
передать элементарным частицам вещества высокую энергию и, разогнав до
высочайшей скорости, воспроизвести их столкновение друг с другом.

2. Почему о нем все говорят?

По мнению ученых Европейского центра ядерных исследований CERN,
эксперимент позволит воспроизвести в миниатюре взрыв, в результате
которого миллиарды лет назад образовалась Вселенная. Однако больше
всего общественность волнует то, какими будут последствия мини-взрыва
для планеты в случае неудачного исхода эксперимента. По мнению
некоторых ученых, в результате сталкивания элементарных частиц, летящих
с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях,
образуются микроскопические черные дыры, а также вылетят другие опасные
частицы. Полагаться же на специальное излучение, приводящее к испарению
черных дыр особо не стоит – экспериментальных подтверждений тому, что
оно работает, нет. Потому-то к такой научной инновации и возникает
недоверие, активно подогреваемое скептически настроенными учеными. 

3. Как работает эта штуковина?

Элементарные частицы разгоняются на разных орбитах в противоположных
направлениях, после чего помещаются на одну орбиту. Ценность
замысловатого устройства в том, что благодаря ему ученые получают
возможность исследовать продукты столкновения элементарных частиц,
фиксируемые специальными детекторами в виде цифровых фотокамеры с
разрешением в 150 мегапикселей, способных делать 600 миллионов кадров в
секунду.

4. Когда появилась идея создать коллайдер?>
Идея строительства машины родилась еще в 1984 году, однако
строительство туннеля началось только в 2001 году. Ускоритель
расположен в том же туннеле, где прежде находился предыдущий ускоритель
– Большой электрон-позитронный коллайдер. 26,7 – километровое кольцо
проложено на глубине около ста метров под землёй на территории Франции
и Швейцарии. 10 сентября в ускорителе был запущен первый пучок протонов. В ближайшие несколько дней будет запущен второй пучок.

5. Во сколько обошлось строительство?

В разработке проекта участвовали сотни ученых всего мира, в том числе и
российские. Его стоимость оценивается в 10 миллиардов долларов, из них
531 миллион в строительство адронного коллайдера вложили США. 6. Какой вклад внесла Украина в создание ускорителя?Ученые украинского Института теоретической физики приняли
непосредственное участие в построении андронного коллайдера. Специально
для исследований ими была разработана внутренняя трековая система
(ITS). Она является сердцем «Алисы» —  части коллайдера, где должен
произойти миниатюрный «большой взрыв». Очевидно, весьма не последняя по
значимости деталь машины. Украина должна ежегодно выплачивать 200 тысяч гривен за право участия в
проекте. Это в 500-1000 раз меньше взносов в проект других стран. 7. Когда ждать конца света?
Первый эксперимент по столкновению пучков элементарных частиц намечен
на 21 октября. До этого времени ученые планируют разогнать частицы до
скорости, приблеженной к скорости света. Согласно общей теории
относительности Эйнштейна, черные дыры нам не грозят. Однако в случае,
если теории с дополнительными пространственными измерениями окажутся
верны, у нас осталось не очень много времени, чтоб успеть решить все
свои вопросы на планете Земля. 8. Чем страшны черные дыры?
Чёрная дыра — область в пространстве-времени, сила гравитационного
притяжения которой настолько сильна, что даже объекты,  движущиеся со
скоростью света, не могут ее покинуть. Существования черных дыр
подтверждается решениями уравнений Эйнштейна. Не смотря на то, многие
уже представляют себе, как образовавшаяся в Европе черная дыра,
разрастаясь, поглотит всю планету,  бить тревогу не стоит. Черные дыры,
которые, согласно некоторым теориям, могут появиться при работе
коллайдера, согласно все тем же теориям, будут существовать на
протяжении настолько короткого отрезка времени, что просто не успеют
начать процесс поглощения материи. По утверждениям некоторых ученых,
они даже не успеют долететь до стенок коллайдера.

9. Чем могут быть полезны исследования?

Помимо того, что данные исследования – очередное невероятное достижения
науки, которое позволит человечеству узнать состав элементарных частиц,
это еще не весь выигрыш, ради которого человечество пошло на такой
риск. Возможно, в скором будущем мы с вами сможем воочию увидеть
динозавров и обсудить наиболее эффективные военные стратегии с
Наполеоном. Российские ученые полагают, что в результате эксперимента
человечеству станет посильным создание машины времени. 10. Как произвести впечатление научно подкованного человека с помощью адронного коллайдера?

Ну и наконец, если кто-либо, заранее вооружившись ответом, спросит у
вас, что же это такое адронный коллайдер, предлагаем вам достойный
вариант ответа, способного приятно удивить любого. Итак, пристегнули
ремни! Адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц,
предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов на встречных
пучках. Построен в научно-исследовательском центре Европейского совета
ядерных исследований и представляет собой 27-километровый туннель,
проложенный на глубине 100 метров. В связи с тем, что протоны
электрически заряжены, ультрарелятивистский протон порождает облако
почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов
становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого
электрического заряда ядра. Они могут столкнуться как со встречным
протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с
другом. Ученые побаиваются, что в результате эксперимента могут
образоваться пространственно-временны́е «туннели» в пространстве,
которые являются типологической особенностью пространства-времени. В
результате эксперимента также может быть доказано существование
суперсимметрии, которая, таким образом, станет косвенным подтверждением
истинности теории суперструн.

Как запускали коллайдер, смотрите, пожалуйста, здесь >>>

Источник: http://delo.ua

paranormal-news.ru

Эксперименты на адронных коллайдерах • Физика элементарных частиц • LHC на «Элементах»

Все существующие в мире коллайдеры (ускорители на встречных пучках) можно разбить на несколько групп в соответствии с тем, какие частицы разгоняются и сталкиваются друг с другом:

  • электрон-позитронные коллайдеры;
  • электрон-протонные коллайдеры;
  • адронные (протон-протонные, протон-антипротонные, ядерные) коллайдеры.

Эксперименты на адронных коллайдерах, к которым относится и LHC, имеют ряд особенностей, о которых полезно рассказать отдельно.

Как выглядит типичное протон-протонное столкновение

Протон — составная частица; он состоит из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом –1/3), которые скреплены вместе глюонным полем. Однако если протон летит со скоростью, очень близкой к скорости света, то глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой, но материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Можно считать, что быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.

При очень больших энергиях протон оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, что сталкивать — протоны с протонами (как на LHC) или протоны с антипротонами (как на коллайдере Тэватрон).

(Подробнее про партонные плотности в протоне)

Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе не значит, что каждый партон обязательно ударяется обо что-то внутри встречного протона. Обычно всё происходит проще — один кварк из одного протона сталкивается с кем-то из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо.

Столкнувшиеся друг с другом партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает важным свойством — конфайнментом, который не позволяет кваркам улететь просто так. Вместо этого происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. Именно из-за адронизации протон-протонное столкновение так сильно отличается от электрон-позитронного. В этом процессе партоны-«наблюдатели» уже принимают самое активное участие.

(Подробнее про конфайнмент и процесс адронизации)

Как правило, удар по партону получается в основном продольный, а не поперечный. В результате адроны рождаются преимущественно с большими продольными и маленькими поперечными импульсами. Из-за этого типичное протон-протонное столкновение выглядит примерно так:

Здесь схематично показан процесс множественного рождения адронов. Каждый адрон отмечен отдельной стрелкой, причем длина стрелки примерно соответствует импульсу адрона. В результате адроны разлетаются не изотропно во все стороны, как как бы прижаты к оси столкновения.

Изредка происходит особенно жесткий процесс, при котором столкнувшиеся партоны получают сильный поперечный удар. Эти партоны вылетают с большим поперечным импульсом, и последствия адронизации в этом случае выглядят так:

Рожденные адроны группируются как вдоль оси столкновения, так и вокруг направления вылета жесткого партона. Поток адронов, вылетающих примерно в одинаковом направлении, называется адронной струей.

Кроме жесткого рассеяния двух партонов, существуют и другие механизмы рождения струй. Так, в столкновении двух партонов лоб в лоб может родиться очень тяжелая частица (например, Z-бозон), которая затем распадается на два кварка, а они уже порождают струи. Собственно, изучение событий со струями — это и есть один из методов поиска тяжелых нестабильных частиц. Наблюдаются также и многоструйные события.

Кинематика протон-протонных столкновений

Поскольку партонов внутри протона много, каждый партон несет лишь небольшую долю всей энергии протона. Из-за этого полная энергия столкновения двух партонов получается заметно меньше, чем номинальная энергия протон-протонного столкновения. Например, когда на LHC два протона сталкиваются с энергией 7+7 ТэВ, происходят процессы столкновения партонов, скажем, с энергиями 1+2 ТэВ, или 0,5+0,3 ТэВ, или 0,2+0,05 ТэВ и т. д.

Все эти столкновения происходят с некоторой частотой, причем чем меньше энергия, чем чаще они происходят. Именно поэтому увеличение энергии протонов приводит к резкому увеличению сечения многих интересных процессов столкновения. Например, на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон тоже происходят столкновения двух партонов с энергией 0,5+0,3 ТэВ, но на LHC они будут происходит на порядки чаще.

Из-за того, что распределение частиц не изотропно, а прижато к осям, кинематику частиц на адронных коллайдерах удобно описывать с помощью переменных «быстрота–угол». В таких переменных удобно выделяются разные типы процессов, происходящих в протонных столкновениях.

(Подробнее про диаграмму быстрота-угол и ее использование для анализа событий)

Трудности изучения протон-протонных столкновений

В изучении протон-протонных столкновений есть две главные трудности: одна экспериментальная и одна теоретическая.

  • В каждом столкновении рождается слишком много частиц. Некоторые из них при этом вообще не попадают в детектор, а «улетают в трубу», так что разобраться в этой мешанине очень трудно.
  • Теоретики умеют хорошо рассчитывать процессы с отдельными кварками или глюонами, но описать адронизацию из первых принципов пока не удается. Адронизацию приходится учитывать с помощью численного моделирования, и поэтому связь между теорией и экспериментом не столь непосредственна, как, например, в электрон-позитронных столкновениях.

Однако есть несколько приемов, позволяющих в этой ситуации всё же узнать немало нового.

Во-первых, не все рожденные частицы одинаково «интересны». Самую важную информацию несут частицы с большим поперечным импульсом, то есть струи. Углы вылета и энергия струй «помнят» то жесткое столкновение между кварками или глюонами, которое их породило. Изучая свойства струй, экспериментаторы могут нащупать более тесную связь с теорией.

Во-вторых, иногда помимо адронов рождаются и другие частицы с большой энергией — электроны, мюоны, фотоны. Эти частицы не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому адронизации им не мешает. Отбирая события с такими частицами, можно изучать гораздо более редкие процессы, чем в исключительно адронных событиях.

(Подробнее про разнообразные методы анализа событий в адронных коллайдерах)

elementy.ru

В Большом адронном коллайдере:
А. Протоны разгоняются до скоростей, больших скорости света
Б. Протоны приобретают болышую кинетическую энергию
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Задание № 24871

В Большом адронном коллайдере:

А. Протоны разгоняются до скоростей, больших скорости света

Б. Протоны приобретают болышую кинетическую энергию

1) только А

2) только Б

3) и А, и Б

4) ни А, ни Б

Коллайдер

Для получения заряженных частиц высоких энергий используются ускорители заряженных частиц. В основе работы ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Ускорение создаётся электрическим полем, способным изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Постоянное магнитное поле изменяет направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории).

По назначению ускорители классифицируются на коллайдеры, источники нейтронов, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители и др. Коллайдер — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Благодаря коллайдерам учёным удаётся сообщить частицам высокую кинетическую энергию, а после их столкновений — наблюдать образование других частиц.

Самым крупным кольцевым ускорителем в мире является Большой адронный коллайдер (БАК), построенный в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований, на границе Швейцарии и Франции. В создании БАК принимали участие учёные всего мира, в том числе и из России. Большим коллайдер назван из- за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет почти 27 км; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны (к адронам относятся, например, протоны). Коллайдер размещён в тоннеле на глубине от 50 до 175 метров. Два пучка частиц могут двигаться в противоположном направлении с огромной скоростью (коллайдер разгонит протоны до скорости 0,999999998 от скорости света). Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит им сталкиваться, создавая при каждом соударении тысячи новых частиц. Последствия столкновения частиц и станут главным предметом изучения. Учёные надеются, что БАК позволит узнать, как происходило зарождение Вселенной.

Показать ответ

neznaika.info

«Лоб в лоб» на скорости света

До какого предела можно раздробить крупицу вещества, например песчинку? Из чего состоит окружающий нас мир? Как, когда и откуда появились звёзды, планеты и всё остальное? Эти вопросы давно не дают человеку покоя. И чем глубже проникают учёные в тайны природы, тем сложнее становятся научные эксперименты.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наверное, каждый из нас хотя бы раз пытался разобрать игрушку, чтобы посмотреть, что у нее внутри. Подобное любопытство движет и учёными, которые стремятся выяснить устройство материи вплоть до самых элементарных кирпичиков. А чтобы проводить такие исследования, проектируют и строят специальные экспериментальные установки — ускорители.


На границе Швейцарии и Франции, глубоко под землёй, проходит огромный кольцевой тоннель. Его длина — без малого 27 км. Когда-то, еще в 80-е годы XX века, этот тоннель прорыли для того, чтобы исследователи из ЦЕРНа — Европейского центра ядерных исследований — могли разгонять в нём до огромных скоростей электроны и позитроны. Теперь в этом самом тоннеле создан новый ускоритель, который получил название «Большой адронный коллайдер».


Что это такое?


Слово «коллайдер» происходит от английского collide — сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. В обычных ускорителях пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.


Почему коллайдер называется адронным? Среди элементарных частиц есть семейство адронов. К нему относятся протоны и нейтроны, из которых состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов — то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.


Разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, что имеет электрический заряд. Например, нейтрон — частица нейтральная, что видно из названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами эксперимента станут протоны (ядра атомов водорода) и тяжёлые ядра свинца.


На сегодняшний день Большой адронный коллайдер — самый мощный в мире. С его помощью физики надеются получить протоны с энергией 7ТэВ (тераэлектронвольт, то есть 1012 эВ). Это значит, что при столкновении выделится суммарная энергия 14 ТэВ. Чтобы достичь такой энергии, протоны должны лететь почти со световой скоростью (если точнее, то со скоростью, которая составляет 0,999999991 от скорости света). При этом каждый протон за одну секунду пролетит по 27-километровому кольцу 11 000 раз! Пучок протонов может летать внутри коллайдера 10часов. За это время он преодолеет более 10 миллиардов километров — расстояние до планеты Нептун и обратно.


Как он устроен?


Вдоль всего тоннеля установлены сверхпроводящие магниты. Частицы разгоняются в электрическом поле, а магнитное поле направляет их по круговой траектории — иначе они врежутся в стенку. Поскольку магниты не простые, а сверхпроводящие (только они позволяют достичь требуемых величин магнитного поля), то для работы их необходимо охладить до температуры 1,9 К. Это ниже, чем температура в космическом пространстве (2,7 К). Чтобы получить космический холод в земных условиях, в охлаждающие системы коллайдера требуется залить 120 т жидкого гелия.


Два пучка движутся во встречных направлениях по двум кольцевым трубам. Ничто не должно мешать движению частиц, поэтому воздух из труб откачан до глубокого вакуума. Столкновения могут происходить только в четырёх точках, где трубы пересекаются. Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.


Зачем он нужен?


Взаимодействие и превращения известных на сегодняшний день элементарных частиц неплохо описывает теория, называемая Стандартной моделью. Но на некоторые вопросы эта теория ответить не может. Например, она не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют её вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица — бозон Хиггса. Её-то и надеются обнаружить физики при столкновении протонных пучков с большой энергией. Возможно, что Большой адронный коллайдер поможет нам понять, что такое тёмная материя и тёмная энергия, на которые, как считают астрофизики, приходится более 95% всей материи во Вселенной.


В столкновениях пучков тяжёлых ядер физики надеются создать условия Большого взрыва — отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кварк-глюонная плазма. По прошествии одной сотой доли микросекунды кварки объединились по три и образовали протоны и нейтроны. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки. Но как знать, быть может, Большой адронный коллайдер справится с этой задачей — ведь при столкновении ядер свинца предполагается достичь температуры, в сто тысяч раз превышающей температуру в центре Солнца.


Как увидеть невидимое?


К сожалению, в распоряжении учёных нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму: через ничтожно короткий промежуток в 10-23 секунды она исчезнет без следа. О результатах эксперимента приходится судить по «уликам» — следам, оставленным частицами, родившимся в ходе эксперимента. Как шутят физики, это не легче, чем воссоздать облик Чеширского кота по его улыбке.


О чёрных дырах и «конце света»


С Большим адронным коллайдером связано множество мифов. Например, говорят о том, что при столкновении частиц с высокой энергией образуется чёрная дыра, в которую может «затянуть» всю нашу планету, и наступит «конец света». На самом деле рекордная для физики элементарных частиц энергия в 14 ТэВ чрезвычайно мала — это две миллионные доли джоуля. Чтобы довести до кипения один литр воды, потребуется энергия более ста миллиардов протон-протонных столкновений. Кроме того, Землю в течение миллиардов лет бомбардируют космические частицы с энергией в миллионы раз большей, чем энергия протонов в ускорителе. И пока ни к каким ужасным последствиям это не привело. Правда, некоторые физики полагают, что чёрные дыры в коллайдере появятся — но микроскопические и очень коротко живущие.

***


Энергию измеряют в разных единицах — в джоулях, калориях, киловатт-часах. В международную систему СИ входит только джоуль. Но в физике элементарных частиц для измерения энергии чаще всего используют электронвольт и его производные — КэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ. Электронвольт — удобная единица. Она основана на понятном представлении, что одиночный электрон ускоряется разностью потенциалов в 1 вольт и приобретает при этом определенное количество энергии. 1 эВ = 1,6.10-19Дж. В электронвольтах измеряют не только энергию, но и массу. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc2, энергия и масса — две стороны одной монеты. Масса может трансформироваться в энергию и наоборот. В коллайдере такие превращения происходят при каждом столкновении.

***


То, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов, предположил древнегреческий ученый Демокрит (кстати, «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но лишь через многие столетия физики доказали, что так оно и есть. Потом обнаружилось, что атом на самом деле разделить можно, — он состоит из электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. Физики считают, что кварки — предел деления материи и ничего меньше на свете нет. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского glue — клей).

Физика элементарных частиц изучает самые крошечные объекты в природе. Размер атома равен 10-10 м, размер атомного ядра — 10-14 м, размеры протона и нейтрона — 10-15 м, электроны меньше 10-18 м, а кварки меньше 10-19 м. Чтобы сравнить эти числа, представим, что диаметр протона будет равен примерно 10 см. Тогда электроны и кварки окажутся меньше 0,1 мм, а весь атом будет иметь 10 км в поперечнике.

www.nkj.ru

Земля, подобно адронному коллайдеру, способна придавать ускорение частицам

Европейские исследователи, работающие с группой спутников Cluster, пришли к выводу, что Земля, подобно адронному коллайдеру, способна придавать ускорение частицам. Происходит это благодаря тому, что в процессе ее движения создается фронт ударной волны, разгоняющий частицы до огромных скоростей. Недавно ученым удалось измерить его параметры.

По словам авторов исследования, во Вселенной идет немало естественных процессов, способствующих ускорению частиц. Так, мощные магнитные поля способны разгонять частицы космического излучения почти до скорости света. Практически то же самое происходит и в Большом адронном коллайдере, но там ускорение нарастает постепенно, шаг за шагом.

Читайте также: Конца света из-за коллайдера не будет

На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители производят инжекцию протонов и ионов свинца, затем частицы попадают в PS-бустер и далее проходят в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 гигаэлектронвольт, при которой их скорость уже близка к световой. После чего переходят в SPS (протонный суперсинхротрон), где их энергия достигает 450 гигаэлектронвольт. Наконец, сгусток протонов направляется в главное 26,7-километровое кольцо коллайдера, доводя энергию протонов до максимальных 7 тераэлектронвольт. Кинетическая энергия, которой обладают все сгустки адронов, содержащиеся в БАКе, при условии полного его заполнения, сравнима с энергией реактивного самолета.

Скорее всего, в космосе частицы тоже последовательно ускоряются, но естественным путем. Первоначальный толчок им придают ударные волны, которые тоже представляют собой достаточно распространенное явление. Они могут возникать везде, где быстро движущаяся среда сталкивается с каким-либо препятствием или другой средой. Это может происходить не только с планетами, но и другими космическими объектами — такими, как взрывающиеся звезды, черные дыры и даже целые галактики. Получив первоначальный импульс от ударной волны, частицы затем уже под воздействием различных магнитных полей постепенно разгоняются до колоссальных скоростей, близких к скорости света.

Наша планета в своем движении проходит сквозь потоки заряженных частиц солнечного ветра, воздействием своего глобального магнитного поля, создавая ударную волну. 9 января 2005 года четверка спутников Cluster прошла сквозь фронт этой волны, успев за какую-то четверть секунды собрать данные о ней. В частности, выяснилось, что толщина волны составляет около 17 километров, а температура электронов резко возрастает, создавая оптимальные условия для ускорения заряженных частиц. Ранее было подсчитано, что наибольшая толщина фронта ударной волны составляет 100 километров. Однако, чем он тоньше, тем более эффективный изначальный импульс получают заряженные частицы.

В то же время «стенки» у естественного «адронного коллайдера» по имени Земля оказались проницаемыми. Недавно сотрудники Центра космических полетов Годдарда (США) обнаружили на большой высоте над поверхностью нашей планеты следы так называемых шумановских резонансов.

Явление резонансного усиления электромагнитных атмосферных шумов было теоретически предсказано в 1952 году немецким физиком Винфридом Отто Шуманом. Выяснив, что Земля и ее ионосфера, от нижней границы которой отражаются электромагнитные волны, образуют объемный резонатор, Шуман рассчитал его частотный спектр, а также предположил, что основным источником резонансных импульсов являются вертикальные разряды молний.

В начале 60-х годов исследователями на основании вычислений Шумана были зарегистрированы резонансы по характерным максимумам в энергетических спектрах атмосферных шумов. Особенно четко при этом выделялись пики на частотах около 8, 14, 20, 26 и 32 герц. Впоследствии выяснилось, что на характеристики шумановских резонансов влияют такие факторы, как время суток, сезон, уровень солнечной активности и другие.

Если ранее подобные наблюдения осуществлялись только с Земли, то исследователи из центра Годдарда производили замеры в космическом пространстве, на высоте в 400-850 километров, посредством спутника C/NOFS. Обработка данных по сверхнизким частотам, полученным при помощи спутника, позволила обнаружить четкие «отпечатки» шумановских резонансов. Это свидетельствует о том, что граница ионосферы является проницаемой.

Читайте также: Ионосфера Луны состоит из пыли

По мнению американских ученых, космическая «слежка» за резонансами может послужить для разработки оригинальной методики дистанционного сбора данных об электрических явлениях в земной атмосфере, а также атмосфере других планет.

Читайте самое интересное в рубрике «Наука и техника»

www.pravda.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о