Доклад на тему адроны
Обновлено: 04.07.2024
Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может.
Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из. " на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания.
Основная часть
Виды взаимодействий
Основные, фундаментальные взаимодействия в физике делятся на:
Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10-13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.
Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.
Сильные взаимодействия, самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия ок. 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия ядерные силы.
Характерное время, за которое происходят элементарные процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, составляет 10-2310-24 сек. Сильные взаимодействия обладают высокой степенью симметрии; они симметричны относительно пространственной инверсии, зарядового сопряжения, обращения времени. Специфическим для сильных взаимодействий является наличие внутренних симметрий адронов: изотопической инвариантности, симметрии по отношению к фазовому преобразованию, приводящей к существованию особого сохраняющегося квантового числа странности, а также SU (3)-симметрии.
Важнейшая особенность сильных взаимодействий их короткодействующий характер; они заметно проявляются лишь на расстояниях порядка 10-13 см между взаимодействующими адронами, т. е. их радиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На таких расстояниях С. в. в 1001000 раз превышают электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами. С увеличением расстояния сильные взаимодействия быстро убывают, так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитными взаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. С короткодействующим характером сильных взаимодействий связан тот факт, что они, несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены только в 20 в., в то время как более слабые дальнодействующие электромагнитные и гравитационные силы были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствие дальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходит сложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образом возникает взаимодействие между макроскопическими телами).
Согласно квантовой механике, время наблюдения системы Dt и неопределённость в её энергии DE связаны неопределённостей соотношением: DEDt ~ , где постоянная Планка. Поэтому, если свободный нуклон испускает частицу с массой m (т. е. энергия системы меняется согласно формуле теории относительности на величину DE = mc2, где с скорость света), то это может происходить лишь на время Dt ~ /mc2. За это время частица, движущаяся со скоростью, приближающейся к предельно возможной скорости света с, может пройти расстояние порядка /mc. Следовательно, чтобы взаимодействие между двумя частицами осуществлялось путём обмена частицей массы т, расстояние между этими частицами должно быть порядка (или меньше) /mc, т. е. радиус действия сил, переносимых частицей с массой m, должен составлять величину /mc. При радиусе действия ~10-13 см масса переносчика ядерных сил должна быть около 300 me (где me масса электрона), или приблизительно в 6 раз меньше массы нуклона. Такая частица была обнаружена в 1947 и названа пи-мезоном (пионом, p).
В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий).
Элементарные частицы
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Структура и взаимодействие адронов. Презентация на заданную тему содержит 16 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны — составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны — это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы — это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).
Описанная выше схема, по которой кварки группируются по двое и по трое и становятся бесцветными адронами, называется наивной кварковой моделью. Эта модель не объясняет, почему все адроны объединяются только по двое и по трое. Можно построить и другие бесцветные комбинации кварков и антикварков, создать многокварковые адроны, но они почему-то на опыте не встречаются. А точнее, они не встречались до недавнего момента. Начиная с середины 2000-х годов стали появляться надежные экспериментальные данные, что некоторые адроны не вписываются в простую схему наивной кварковой модели. Такие адроны называются экзотическими. Правда, количество известных на сегодня экзотических адронов очень невелико, всего несколько штук против нескольких сотен обычных адронов — и причем все они мезоны; подтвержденных данных по пентакваркам и другим экзотическим барионам пока нет.
Протон, движущийся с околосветовой скоростью, представляет из себя облако партонов: кварков, антикварков и глюонов. Когда происходит столкновение двух таких протонов, реально сталкивается лишь пара партонов. Получается, что состав протона — вещь не абсолютная, а зависит от системы отсчета.
Свойства кварков позволяют удобно распределять семейства адронов в узлах тетраэдральной решетки. На рис. 4 даны схемы этих решеток для барионов со спином 1/2 или 3/2, составленных их первых четырех кварков. Каждое пространственное направление здесь отвечает какому-то аромату кварков: двигаясь слева направо, вы добавляете u-кварки, двигаясь от заднего фона рисунка к переднему — странные кварки, двигаясь вверх — очарованные кварки. По такому же принципу можно добавлять и прелестные кварки, но только тетраэдр при этом получится уже четырехмерный. Свойства кварков позволяют удобно распределять семейства адронов в узлах тетраэдральной решетки. На рис. 4 даны схемы этих решеток для барионов со спином 1/2 или 3/2, составленных их первых четырех кварков. Каждое пространственное направление здесь отвечает какому-то аромату кварков: двигаясь слева направо, вы добавляете u-кварки, двигаясь от заднего фона рисунка к переднему — странные кварки, двигаясь вверх — очарованные кварки. По такому же принципу можно добавлять и прелестные кварки, но только тетраэдр при этом получится уже четырехмерный. Схема барионов со спином 1/2 (слева) или 3/2 (справа), составленных их первых четырех кварков.
Аналогичная диаграмма для мезонов, состоящих из первых четырех кварков. Схема мезонов со спином 0 (слева) и 1 (справа), составленных из первых четырех кварков. Аналогичная диаграмма для мезонов, состоящих из первых четырех кварков. Схема мезонов со спином 0 (слева) и 1 (справа), составленных из первых четырех кварков.
Каждый человек слышал об атомах и о том, что эти маленькие частички вещества составляют окружающую нас материю. Однако не все люди знают, что атом не является элементарным "кирпичиком" мироздания. Что им является? Однозначного ответа пока нет. Тем не менее рассмотрение вопроса, что это - адрон, поможет прояснить проблему.
Окружающая материя и ее структура
Вопрос, что это - адрон, начнем рассматривать "сверху". Все вещество, с которым человек сталкивается каждый день, которое может пощупать, оценить его цвет и другие свойства, состоит из совокупностей молекул и атомов. Последние, в свою очередь, образованы электронами и ядрами. Этот факт был установлен приблизительно век назад благодаря работам Эрнеста Резерфорда.
Теперь оставим без внимания электрон и рассмотрим атомное ядро. Как известно, оно образовано двумя видами частиц: нейтронами и протонами. И здесь мы, наконец, докопались до сути, поскольку нейтрон и протон - это адроны.
Понятие об адроне
В общем случае адрон - это частица, которая образована кварками и может принимать участие в сильных взаимодействиях. Это определение звучит не совсем понятно, поскольку необходимо знать, что собой представляют кварки и сильные поля, что будет рассмотрено ниже. Каково значение слова "адрон"? Оно имеет греческий корень и переводится как "массивный, плотный". То есть речь идет о плотной частице материи, имеющей большую массу.
Как было сказано выше, адронами являются протон и нейтрон, каждый из них состоит из трех кварков.
Что такое кварк?
Ближе к середине XX века физики со всего мира в различных экспериментах начали наблюдать все новые и новые "элементарные" частицы. Эксперименты сначала ограничивались изучением естественной радиоактивности некоторых химических элементов, а затем были построены первые ускорители частиц, которые позволили сталкивать их высокоэнергетические пучки, что увеличило значительно число частиц. Последние имели разный заряд, спин, массу, время жизни и по-разному вели себя в различных взаимодействиях (слабых, сильных, электромагнитных).
Весь этот огромный пласт информации привел к тому, что необходима была теория, которая бы собрала воедино все частицы. Такой теоретической догадкой стал кварк. Это название впервые использовал Марри Гелл-Ман, американский физик, в 1963 году. Любопытно отметить, что слово "кварк" он подсмотрел в одном из литературных произведений, оно означало имитацию крика чаек.
Благодаря введению нового "кирпичика" в физику элементарных частиц все обнаруженные сгустки материи стройно легли в рамки новой концепции. Отметим, что кварками образованы только адроны, такие частицы, как нейтрино или электрон, относятся к классу лептонов, они считаются элементарными, и кварки к ним не имеют никакого отношения.
Сколько кварков существует и какими характеристиками они описываются?
Адроны состоят из кварков. Но что представляет собой кварк? Это некий реальный объект, размер которого находится в пределах 10 -18 -10 -15 метра. Существует 3 поколения кварков, которые отличаются друг от друга вкусом. В действительности только первое поколение кварков участвует в образовании стабильных адронов. Два других поколения обладают большой массой (энергией), поэтому быстро переходят в "базовые" кварки.
К первому поколению относятся всего две частицы: u или верхний и d или нижний кварки. Отличаются они изоспином (u имеет +1/2, d имеет -1/2), зарядом и массой. Спин приведем специально, чтобы показать, что речь идет о фермионах, поведение которых при высоких плотностях материи отличается от бозонов (целочисленный спин). Примером последних могут быть фотоны, глюоны и любые другие "переносчики" взаимодействия.
Скажем два слова о вкусе и цвете кварков, чтобы не держать читателей в недоумении. Вкус - это совокупность свойств (изоспин, "странность", "чудесность", "дно", "вершина") кварка, которая обуславливает тип его взаимодействия с бозонами Z и W, то есть определяет характер перехода между кварками (слабые взаимодействия). Вкус частиц u и d определяется исключительно изоспином.
Что касается цвета, то это совершенно иное свойство кварков как, например, их электрический заряд или масса. С привычным нам всем словом "цвет" оно, естественно, не имеет никакой физической связи, а названо было так потому, что может принимать одно из 3 значений ("синий", "красный", "зеленый"). Цвет связан с трехмерностью пространства. Грубо можно сказать, что цвет - это вектор, направленный в одном из 3 направлений (x, y, z). Введение цвета для кварков позволило объяснить, почему они могут находиться в одном состоянии (принцип запрета Паули, которому следуют все фермионы).
Если учитывать упомянутых два кварка (u, d), а также то, что каждый из них может иметь один из 3 цветов, то получаем 6 разных "кирпичиков" для построения адронов. Это число нужно умножить на 2, поскольку для каждого из них имеется его античастица.
Классификация адронов
Когда читатель познакомился со значением слова "адрон" и с понятием о кварках, можно привести общепринятую классификацию элементарных частиц. Итак, все они делятся на два больших класса: адроны и лептоны.
Адроны представлены барионами и мезонами. Первые образованы тремя кварками или тремя аникварками, вторые - это совокупность всего 2 частиц: кварк-антикварк, поэтому все мезоны (пионы, каоны) имеют маленькое время жизни и аннигилируют быстро. Барионы - это стабильные частицы-адроны, имеющие получисленный спин (фермионы). Протон и нейтрон - яркие представители барионов, их часто называют нуклонами, поскольку они образуют атомные ядра.
Таким образом, значение адронов во Вселенной велико, ведь вся окружающая нас материя является барионно-лептонной (электрон - это лептон). Однако современная наука подошла к порогу открытия иного вида вещества, то есть не барионно-лептонного (темная материя, вещество черных дыр).
Нуклоны: протон и нейтрон
Эти элементарные частицы-адроны образованы 2 типами кварков: u и d. Состав протона описывается, как u-u-d, нейтрона - u-d-d. В них кварки связаны сильными взаимодействиями, носителями которых являются глюоны. Чем дальше кварки находятся друг от друга, тем сильнее возрастают силы их притяжения. Этот факт объясняет, что отдельный кварк в природе обнаружить не удается.
Что касается массы протона и нейтрона, то определить ее простым суммированием трех кварков нельзя, поскольку она намного больше этой суммы. Дело в том, что вклад в массу этих адронов оказывает не только кварк в покое, но и в движении (кинетическая энергия).
Протон и нейтрон могут переходить друг в друга в результате слабых взаимодействий, ведущих к превращению между кварками u и d.
Заметим, что как кварки в адронах, так и адроны между собой взаимодействуют посредством одного и того же механизма - глюонового поля.
Современное состояние физики элементарных частиц
Кварки появились в физической теории в начале 1960-х годов, а уже в 1970-х было выдвинуто предположение, что они тоже не являются элементарными "кирпичиками" и состоят из так называемых преонов. Последние еще не открыты, однако, если такое произойдет, то это должно существенно упростить существующую теорию элементарного мира.
Помимо проблемы выше, остается еще ряд нерешенных вопросов:
- описание гравитации и темной материи не укладывается в стандартную модель Вселенной;
- почему три кварка в протоне дают точный по модулю заряд элементарной частицы совершенно иного класса - электрона (лептон);
- появились свидетельства существования адронов, состоящих не из 2, как мезоны, или 3, как барионы, но из 5 кварков.
Все упомянутые проблемы не являются простыми. Достаточно лишь сказать, что Альберт Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни решению некоторых из них и не пришел ни к какому результату. Он имел IQ 160!
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Юдичев Валерий Леонидович
Мои научные интересы связаны с исследованием свойств адронов - элементарных частиц, включающих мезоны и барионы. Адроны, в отличие от лептонов (например, электрона или нейтрино), фотонов и векторных бозонов (переносчиков слабого взаимодействия), не относятся к истинно элементарным частицам, а состоят из более фундаментальных микроскопических объектов - кварков и глюонов. Их взаимодействие друг с другом и определяет свойства адронов: массу, времена жизни, вероятности различных процессов упругого и неупругого рассеяния адронов с лептонами, адронов с адронами и т. п. Мне удалось описать некоторые свойства легких мезонов в разреженном и в горячем мезонном газе в рамках феноменологического подхода. В настоящее время я исследую свойства легких мезонов уже в плотной барионной материи, где, как мы ожидаем, существуют формы материи с экзотическими свойствами.
К началу XXI века выяснение структуры и свойств адронов, а также плотной и горячей адронной материи стало одной из самых актуальных проблем физики элементарных частиц. Эта тема интенсивно обсуждается на международных конференциях и в печатных изданиях. Особый интерес физиков к экстремально горячим плотным средам связан с желанием обнаружить особое состояние материи - так называемую кварк-глюонную плазму (КГП), существование которой предсказано современной теорией сильного взаимодействия - квантовой хромодинамикой (КХД). Согласно теории Большого взрыва, развитие Вселенной на ранних стадиях эволюции определялось свойствами этой плазмы. Кроме того, материя в таком состоянии может сформироваться внутри компактных звезд, наблюдаемых в настоящее время. Существование особых фаз материи может быть причиной особого поведения некоторых компактных звезд, процесс охлаждения которых не может быть объяснен на основе старых моделей, которые не учитывают существование кварк-глюонной плазмы в ядрах этих звезд.
Телескопы, размещенные на околоземной орбите, позволили получить бесценный научный материал по наблюдению компактных звезд. Это дало толчок в астрофизике к развитию моделей звезд, учитывающих возможность существования КГП. Понятно, что в таких обстоятельствах необходимо развивать теоретические методы, позволяющие интерпретировать наблюдения и выявлять процессы, которые позволили бы судить о существовании КГП. Эта большая комплексная проблема разбивается на несколько самостоятельных задач, которые могут быть решены независимо. Одна из них - микроскопическое описание свойств адронов в обычных и экстремальных условиях, то есть исследование зависимости масс, времен жизни адронов и т. п. от температуры и плотности.
Для описания внутренних свойств адронов, таких как масса, константы распадов адронов и их взаимодействия друг с другом посредством сильного и электрослабого взаимодействия, требуются непертурбативные подходы. Среди них следует упомянуть метод уравнений Дайсона-Швингера, Бете-Салпитера, разнообразные локальные и нелокальные кварковые модели, основанные как на квантовой хромодинамике, так и на феноменологии. В своих исследованиях я использовал различные версии киральной кварковой модели, в которой исключены глюоны, а определяемое ими взаимодействие кварков аппроксимировано сравнительно простым способом, позволяющим решать задачи, не решаемые в КХД. Данная модель, модель типа Намбу-Йона-Лазинио, получила развитие и позволила описать свойства скалярных, псевдоскалярных и векторных мезонов, включая их основные состояния, а также первые радиальные возбуждения. Мы предсказали массы скалярных мезонов - основных и радиально-возбужденных, а также массы первых радиальных возбуждений псевдоскалярных и векторных мезонов. Кроме того, мы вычислили ширину основных распадов мезонов, идущих за счет сильного взаимодействия. По этой теме я с соавторами опубликовал 24 статьи в реферируемых отечественных и зарубежных изданиях, включая труды конференций.
Недавно, используя кварковую модель типа Намбу-Йона-Лазинио, я исследовал поведение форм-факторов пионов, h-, и h'-мезонов в области низких и больших энергий. Результат согласуется с экспериментальными данными группы экспериментаторов CLEO, которые наблюдали реакции рождения пиона и фотона из виртуального фотона с большими пространственно-подобными 4-импульсами.
В настоящее время наибольший интерес для меня представляют исследования свойств мезонов в горячей и плотной среде. Эти исследования начаты недавно. За прошедшие два года мы исследовали фазовую диаграмму кварковой материи при температурах от 0 до 200 мегаэлектронвольт (МэВ), а также для значений химического потенциала (определяет барионную плотность) от 0 до 400 МэВ. Мы получили оригинальные результаты, поскольку для фиксации параметров в рамках кварковой модели использовали оригинальную процедуру, которую прежде никто не применял. Исследования выявили зависимость фазовой диаграммы, то есть условий и типов фазовых переходов, от параметров модели. В основном результаты согласуются с исследованиями других ученых в мире, подтверждая спонтанное нарушение цветовой симметрии (фундаментальной симметрии сильного взаимодействия) и образование так называемого цветного конденсата. Качественно это явление аналогично известному феномену сверхпроводимости и, по аналогии, названо цветной сверхпроводимостью.
Я продолжаю исследования в этой области, изучая, как модифицируются спектры мезонов в условиях плотной материи, в которой сформировался цветной конденсат. Уже получены предварительные результаты по зависимости конституэнтной массы u(d)-кварков, цветной щели, масс скалярного и псевдоскалярного мезонов при нулевой температуре и высокой барионной плотности. Эти результаты можно применить для селекции процессов, которые смогли бы послужить отличительными сигналами существования кварковой материи с необычными свойствами (цветная сверхпроводимость). Подобные эксперименты на строящихся установках LHC в ЦЕРН (Швейцария-Франция) и SIS-200 в GSI (Дармштадт, Германия), на которых будут получены достаточно плотные образования кварковой материи при соударениях ионизированных атомом урана. До сих пор исследования проводились для свинца, серы и золота на установках AGE, SPS (ЦЕРН), а также на установке RHIC (Брукхевен, США).
Одновременно с изучением свойств плотной и горячей кварковой материи мы исследовали столкновения легких мезонов (пионов) в горячем мезонном газе в неравновесных условиях. В таких условиях соударения частиц приводят к появлению большой "ширины" у узких резонансов, таких как пион. В разреженной среде его ширина крайне мала (несколько кэВ) и обусловлена вероятностью слабого распада для заряженных пионов и электромагнитного распада для нейтральных пионов. А в неравновесной среде ширина может достигать 80 МэВ (сравнима с массой покоя пиона 140 МэВ) вблизи фазового перехода адронной материи в кварк-глюонную плазму, что имеет существенное влияние на процессы с участием пионов в горячем мезонном газе. Как следствие, имеется заметное отклонение в наблюдаемых спектрах электрон-позитронных пар, которые излучаются при столкновениях тяжелых ионов, от предсказаний для узких пионов. Большая ширина позволяет объяснить этот наблюдаемый в эксперименте эффект.
В рамках простой кварковой модели были получены также качественные оценки для температурной зависимости массы и ширины очарованных (то есть содержащих "очарованный" кварк) D- и D*-мезонов. Изучение параметров этих частиц в горячей среде очень важно для понимания процессов диссоциации мезонов с явным и скрытым "очарованием", имеющих непосредственное отношение к проблеме поиска кварк-глюонной плазмы.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Мой проект посвящён одному из самых великих сооружений человечества, самому крупному и мощному ускорителю частиц – большому адронному коллайдеру.
Актуальность: человечество даже с учетом всех имеющихся на данный момент изобретений еще далеко от понимания полной картины окружающего мира, пространства, времени, материи и энергии. В мире есть ещё множество загадочного и необъяснимого. Большинство не представляют значимости такого проекта как БАК. По мнению ученых создание большого адронного коллайдера поможет науке продвинуться вперед и узнать много нового о возникновении нашей планеты. Но есть и те, кто считает, что БАК опасен для человечества и несет огромный риск для нашей планеты. Что же такое большой адронный коллайдер, зачем он нужен физикам и насколько он может быть полезен или опасен для человечества?
Цель проекта: познакомить людей с устройством и принципом работы большого адронного коллайдер. Выяснить опасен ли он для человечества.
Задачи:
1.Изучить литературу по истории физики элементарных частиц
2.Узнать устройство и принцип работы БАК.
3.Выяснить цель создания БАК.
4.Выяснить к какому прогрессу нас сможет привести БАК.
5.Узнать в чем опасность его использования.
Гипотеза: большой адронный коллайдер не несет угрозы для человечества.
Объект исследования: экспериментальная установка, квантовая физика.
Методы исследования: теоретический, метод изучения информации с помощью Интернета.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР.
Ускорители заряженных частиц. Данные устройства нашли широкое применение в различных областях науки и промышленности. На сегодняшний день во всем мире их насчитывается более 30 тысяч. Для физика ускорители заряженных частиц служат инструментом фундаментальных исследований структуры атомов, характера ядерных сил, а также свойств ядер, которые в природе не встречаются. Однако для проведения более сложных опытов нужны ускорители, способные разогнать частицы до высоких энергий, имеющие большую мощность. Одним из таких является большой адронный коллайдер.
Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире, а также самым сложным устройством, когда-либо созданным человеком. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран (в том числе и из России).
Идея создания коллайдера появилась ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. В 1994 проект одобрили. А строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения подземные коммуникации прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера. Основное кольцо ускорителя находится на глубине около ста метров под землей. В 2001 году планировалось потратить на проект 3 млрд. евро и 700 млн. евро для проведения экспериментов. Сегодня на проект потрачено 10 млрд. евро. Столько же стоит построить космическую станцию.
Как работает:
В основе работы БАК, как и всех ускорителей, заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.
Скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ (Электронвольт [эВ] внесистемная единица измерения энергии, широко используемая в атомной и квантовой физике. — энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт.). После этого ускорение частиц продолжается в протонном суперсинхротроне, где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо.
Всё кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов. Под воздействием магнитного поля элементарные частицы не улетают прочь по касательной, а остаются внутри кольца. Кроме того, специальные фокусирующие магниты не дают протонам во время движения колебаться в продольном направлении и задевать стенки вакуумной трубы, в которой осуществляется движение.
Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Магниты используются двух видов — квадропульные (392 шт.) и дипольные (1232 шт.). Именно дипольные магниты удерживают частицы, тогда как квадропульные магниты нужны для того, что бы максимально повысить шансы на взаимодействие частиц, которые может произойти в местах пересечения труб. Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для проведения в рабочее состояние их необходимо охлаждать до температуры 1,9 К (или -271,3 градуса по Цельсию). Это ниже, чем температура в открытом космическом пространстве (2,7 К или -270,5 градуса по Цельсию). Чтобы охладить 36800 тонн конструкции и получить космический холод в земных условиях, для БАК пришлось создать мощнейшую криогенную систему, содержащую более 40000 герметичных сварных швов, и использующую 10000 тонн жидкого азота и 130 тонн жидкого гелия. В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов.
Для регистрации частиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы — детекторы. Их шесть. По сути это гигантские цифровые фотокамеры с разрешением в 150 мегапикселей, способные делать 600 миллионов кадров в секунду.
Цели создания.
Еще в начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Однако проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в черных 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 годов физикам удалось разработать Стандартную модель, которая объединяет три из четырех фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Однако четвертое — гравитационное взаимодействие, по-прежнему описываются только в терминах общей теории относительности. Стандартная модель не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют ее вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица — бозон Хиггса (предсказанный шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели).
Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и стандартной моделью. И, несмотря на предпринимаемые физиками усилия, их объединения пока достичь не удалось. Нет экспериментального подтверждения выдвигаемых гипотез — проблемы в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.
Мощность Большого адронного коллайдера позволяет физикам рассчитывать по крайней мере на то. что они смогут найти убедительные подтверждения верности Стандартной модели. В столкновениях пучков тяжелых ядер физики надеются создать и условия Большого взрыва — отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кваркглюонная плазма, при этом в небольшом объеме пространства энергия оказывается столь велика, что весь этот объем заполнен кварками (внутренними составляющими протона) и глюонами (элементарными частицами, переносчиками сильного взаимодействия). Кварки в этом состоянии непрерывно аннигилируют и вновь рождаются из вакуума. Говоря о таком состоянии, трудно сказать — отнести это состояние к веществу или к состоянию самого пространства.
Чего удалось достичь ?
4 июля 2012 года, после трех лет экспериментов на Большом адронном коллайдере физики ЦЕРНа объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса". Эта частица не имеет электрического заряда и нестабильна. На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.
8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за "теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц".
В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса. Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".
14 июля 2015 года стало известно, что специалисты Европейского центра ядерных исследований после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком. Изучение свойств пентакварков позволит лучше понять, как устроена обычная материя. Возможность существования пентакварков предсказали сотрудники Петербургского института ядерной физики имени Константинова Дмитрий Дьяконов, Максим Поляков и Виктор Петров.
Чего мы сможем достичь в будущем ?
Помимо того, что мы, возможно, сможем понять Вселенную, большой адронный коллайдер может привести человечество к большому прогрессу, а именно:
1.МЕЖЗВЕЗДНЫЕ ПЕРЕЛЕТЫ.
Физики теоретически хотят доказать что энергия и материя имеют единую природу и, что существует возможность перехода из состояния энергии в материю и обратно. Преобразование энергии в материю (аннигиляция),в будущем позволит создать фотонные двигатели, которые, в свою очередь, позволят нам быстро путешествовать к другим звездам
2.ПРОСТОЙ ВЫХОД В КОСМОС.
Благодаря опытам, нам станет доступно управление гравитацией, в частности антигравитация. В случае успеха, перед человечеством откроются революционные возможности, начиная фантастическими ховербордами и летающими машинами, и заканчивая доступностью путешествий в космос.
3.МАШИНА ВРЕМЕНИ.
КАКУЮ ОПАСНОСТЬ МОЖЕТ ПРЕДСТАВЛЯТЬ БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР?
1.Рождение чёрной дыры.
Чёрная дыра — область в пространстве-времени, сила гравитационного притяжения которой настолько сильна, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут ее покинуть. Это чрезвычайно плотные компактные объекты с массой от 4 до 170 миллионов раз превышающей солнечную. Хотя черные дыры по определению огромны, вполне возможно хотя бы в теории, что небольшое количество материи — десятки микрограммов — могут быть упакованы достаточно плотно, чтобы создать черную дыру. Это и будет примером микроскопической черной дыры.
До сих пор никто не наблюдал и не производил микроскопических черных дыр — даже БАК. Но некоторые ученые опасаются , что разгон субатомных частиц до 99,99% скорости света и последующее их столкновение могут создать настолько плотное месиво частиц, что появится черная дыра.
Физики CERN сообщают, что общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что на БАК невозможно произвести такое экзотическое явление. Но что, если Эйнштейн ошибался?
Даже если так, другая теория, разработанная известным астрофизиком Стивеном Хокингом, предсказывает, что даже если микроскопическая черная дыра образуется внутри БАК, она мгновенно распадется, не представляя никакой угрозы для существования Земли.
В 1974 году Хокинг предсказал, что черные дыры не просто пожирают материю, но и выплевывают ее в виде чрезвычайно высокоэнергетического излучения Хокинга. Согласно теории, чем меньше черная дыра, тем больше излучения Хокинга она выдает в космос, постепенно сходя на нет. Таким образом, микроскопическая черная дыра, став наименьшей, исчезнет, прежде чем сможет нанести ущерб и уничтожить нас. Возможно, по этой причине мы и не видели микроскопических черных дыр.
2.Рождение странной материи. Страпельки.
Предполагается, что страпельки, в отличие от обычных атомных ядер, могут оказаться устойчивыми по отношению к спонтанному делению даже при больши́х массах. Если это верно, то страпельки могут достигать макроскопических и даже астрономических размеров и масс.
Предполагается также, что столкновение страпельки с ядром какого-нибудь атома может вызывать его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии. В результате во все стороны разлетаются всё новые страпельки, что теоретически может привести к цепной реакции. Высказываются опасения, что данный процесс каталитического превращения обычной материи в странную может привести к превращению в странную всей материи, из которой состоит наша планета.
Физики CERN, однако, утверждают, что если и удастся создать страпельку, шансы на то, что она будет взаимодействовать с обычной материей, весьма невелики:
3.Рождение магнитных монополей.
В природе магниты обладают двумя концами — северным и южным полюсом. Но в конце 19 века физик Пьер Кюри, муж Марии Кюри, предположил, что нет никаких причин того, почему частица с одним магнитным полюсом не может существовать.
Спустя более полувека такая частица под названием магнитный монополь никогда не создавалась в природе и не наблюдалась в природе. То есть она сугубо гипотетическая. Но это не помешало некоторым предположить, что мощная машина вроде БАК может создать первый в истории магнитный монополь, который может уничтожить Землю.
Теория того, что монополь может уничтожать протоны — субатомные строительные блоки всей материи во Вселенной — спекулятивная в лучшем случае, объясняют физики CERN. Но допустим, эта теория верна. В таком случае эта частица будет обладать массой, которая слишком велика, чтобы БАК мог создать такую частицу.
ВЫВОД.
Большой адронный коллайдер – важный проект, который способствует развитию такой великой науки как физика. Что же касается опасности его использования, то исходя из приведённый фактов, я могу сделать вывод, что БАК не представляет человечеству опасности . Процессы, которые на нём происходят, происходят и в естественной природе. Примером может послужить бомбардировка Земли космическими частицами. В нашей атмосфере, как и на самой Земле происходит множество столкновений заряженных частиц, которые прилетают к нам из космоса и имеют огромные энергии сопоставимые с теми, что имеют частицы в коллайдере. Однако, это не приводит к катастрофическим последствиям – это естественное природное явление и огромных черных дыр при этом не возникает. Из этого можно сделать вывод, что гипотеза подтвердилась.
ПРИМЕЧАНИЕ:
Адроны — класс частиц, состоящих из кварков.
Бозоны — частицы с целым значением спина; бозонами являются все переносчики взаимодействий.
Глюоны — частицы-переносчики взаимодействия, связывающие кварки в адронах.
Кварки — фундаментальные частицы материи.
Коллайдер — ускоритель, в котором сталкиваются два встречных пучка частиц.
Синхротрон — кольцевой ускоритель частиц с орбитой постоянного радиуса.
Стандартная модель — современная теория элементарных частиц; охватывает электрослабое и сильное взаимодействия.
Теория электрослабого взаимодействия — описывает электромагнитное и слабое взаимодействия как разные проявления одного взаимодействия.
Электронвольт =1,6 х 10–19 Дж — энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт.
Читайте также: