o instalație în care, cu ajutorul câmpurilor electrice și magnetice, se obțin fascicule dirijate de electroni, protoni, ioni și alte particule încărcate cu o energie mult mai mare decât energia termică. În procesul de accelerare, vitezele particulelor cresc, adesea la valori apropiate de viteza luminii. Numeroase mici acceleratoare sunt utilizate în prezent în medicină (radioterapia) și, de asemenea, în industrie (de exemplu, pentru implantarea ionică în semiconductori). Acceleratoarele mari sunt utilizate în principal în scopuri științifice - pentru a studia procesele subnucleare și proprietățile particulelor elementare ( Vezi si PARTICELE ELEMENTARE).
Conform mecanicii cuantice, un fascicul de particule, ca un fascicul de lumină, este caracterizat de o anumită lungime de undă. Cu cât energia particulelor este mai mare, cu atât această lungime de undă este mai scurtă. Și cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât obiectele care pot fi investigate sunt mai mici, dar cu atât dimensiunea acceleratoarelor este mai mare și sunt mai complexe. Dezvoltarea cercetării în microcosmos a necesitat o energie din ce în ce mai mare a fasciculului de sondare. Primele surse de radiații de înaltă energie au fost substanțele radioactive naturale. Dar au oferit cercetătorilor doar un set limitat de particule, intensități și energii. În anii 1930, oamenii de știință au început să lucreze la instalații care ar putea produce grinzi mai diverse. În prezent, există acceleratoare care fac posibilă obținerea oricărui tip de radiație de mare energie. Dacă, de exemplu, este necesară radiația cu raze X sau gama, atunci electronii sunt accelerați, care apoi emit fotoni în procesele de radiație bremsstrahlung sau sincrotron. Neutronii sunt generați prin bombardarea unei ținte adecvate cu un fascicul intens de protoni sau deutroni.
Energia particulelor nucleare se măsoară în electron volți (eV). Un electronvolt este energia pe care o dobândește o particulă încărcată, purtând o sarcină elementară (sarcină electronică), atunci când se deplasează într-un câmp electric între două puncte cu o diferență de potențial de 1 V. energie în intervalul de la mii la câteva trilioane (10 12 ) electron volți - la cel mai mare accelerator din lume.
Pentru a detecta procese rare într-un experiment, este necesar să creșteți raportul semnal-zgomot. Acest lucru necesită surse de radiații din ce în ce mai intense. Avantajul tehnologiei moderne de accelerare este determinat de doi parametri principali - energia și intensitatea fasciculului de particule.
Acceleratoarele moderne folosesc numeroase și diverse tipuri de tehnologie: generatoare de înaltă frecvență, electronice de mare viteză și sisteme de control automat, dispozitive complexe de diagnosticare și control, echipamente de vid ultra-înalt, magneți puternici de precizie (atât „obișnuiți”, cât și criogenici) și aliniere complexă. si sisteme de prindere.
Valoshek P. Călătorie în adâncurile materiei. Cu acceleratorul HERA la frontierele cunoașterii. M., 1995
Găsi " ACCELERATOR DE PARTICLE" pe
Repornirea va permite oamenilor de știință să continue să studieze proprietățile unice ale antimateriei în detaliu.
„Am putea chiar să aflăm dacă antihidrogenul reacționează la gravitație”, spune Sevior. - Acesta este un test dificil, dar interesant pentru fizica fundamentală. Ne așteptăm ca antimateria să accelereze ca răspuns la gravitație în același mod în care o face materia, dar nimeni nu a făcut asta înainte; dacă nu, ar putea întoarce munca gravitației pe cap.”
Studiul gravitației și dimensiunilor suplimentare ale spațiu-timpului
Oamenii de știință vor să înțeleagă de ce gravitația este atât de diferită de alte forțe ale naturii. Este posibil să nu simțim întregul efect al gravitației, deoarece se propagă în dimensiuni suplimentare.
Oamenii de știință pot afla mai multe despre aceste dimensiuni suplimentare observând particule care pot exista doar în ele și sunt reale.
„În loc de supersimetrie ca o fizică fundamental nouă, putem obține dimensiuni suplimentare”, spune Sevior. „Teoriile sugerează că în alte dimensiuni pot exista versiuni mai grele de particule standard – particulele Kaluza-Klein, care au mai multă masă decât particulele standard”.
Aceste particule pot fi detectate doar în ciocniri de mare energie.
Crearea găurilor negre
Găurile negre sunt locuri în care gravitația este atât de puternică încât nici măcar lumina nu poate scăpa.
Găurile negre stelare sunt create atunci când gravitația masivă a unei stele face ca miezul acesteia să se prăbușească brusc, să se prăbușească în sine, să creeze un punct fără întoarcere. Găurile negre supermasive din centrul galaxiilor pot fi de milioane sau miliarde de ori masa Soarelui.
Oamenii de știință au sugerat că găurile negre microscopice sau cuantice, care sunt mai mici decât un atom, ar putea exista dacă ar exista dimensiuni ascunse suplimentare.
Până acum, LHC nu a produs găuri negre microscopice, iar dacă ar fi făcut-o, acestea ar fi atât de mici încât s-ar evapora în 10^-27 de secunde, degradându-se în particule obișnuite sau supersimetrice.
„Dacă LHC creează găuri negre microscopice, aceasta ar fi dovada unor dimensiuni suplimentare, iar urmele neobișnuite ale aspectului lor ar fi ușor de observat”, spune Sevior.
Ceea ce vor găsi oamenii de știință va depinde de numărul de dimensiuni suplimentare, de masa găurii negre, de dimensiunea dimensiunilor și de energia la care se va forma gaura neagră.
Există curele?
La fel ca găurile negre, există un alt pericol teoretic de coliziuni cu energie înaltă la LHC - killer-strangelet.
Strapelletele („picăturile ciudate”) sunt bucăți subatomice ipotetice de materie ciudată, constând aproape în întregime din quarci sus, jos și ciudați, care, conform teoriei, devin mai stabile cu cât cresc mai mult.
O teorie sugerează că ciudații pot schimba materia obișnuită într-o miime de secundă, distrugând Pământul, transformându-l într-un ucigaș ucigaș uriaș.
Dar Sevior spune că este puțin probabil să se întâmple.
„Sper să găsim, pentru că este extrem de interesant. Și nu sunt deloc îngrijorat, pentru că Pământul și alte planete sunt bombardate cu raze de înaltă energie, iar dacă această substanță ciudată ar fi transformat materia obișnuită în stranii, ar fi distrus toate miliardele de ani în urmă cu mult timp în urmă.
„Faptul că suntem încă aici este o dovadă grozavă că nu avem de ce să vă faceți griji”.
Cum funcționează Large Hadron Collider?
Cel mai mare accelerator de particule din lume este un inel subteran de 27 de kilometri situat la granița dintre Franța și Elveția.
Instalația de 10 miliarde de dolari, operată de CERN, Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară, lovește particule subatomice unele în altele cu aproape viteza luminii.
Pentru ciocnire se folosesc două tuburi adiacente, linii de raze echipate cu electromagneți supraconductori puternici răciți cu heliu lichid la temperaturi sub -271 de grade Celsius. Acesta este cel mai mare frigider de pe planetă.
Acești magneți trimit fascicule de protoni sau nuclee atomice de-a lungul fiecărei linii în direcții opuse. Ciocnirile de particule au loc în patru detectoare subterane gigantice situate la intersecțiile liniilor de raze.
Primele fascicule de protoni au fost trimise în jurul inelului LHC pe 10 septembrie 2008, dar nouă zile mai târziu, o defecțiune electrică a făcut ca heliul lichid să se scurgă și să explodeze, închizând instalația pentru un an.
În noiembrie 2009, totul a început din nou, dar puterea a fost redusă. La începutul lui 2013, LHC a fost închis pentru a-și crește puterea de la 8 TeV la 14 TeV. Un electron volt este o măsură a energiei utilizată în domeniul fizicii particulelor pentru a determina cantitatea de energie pe care o câștigă un electron atunci când este accelerat cu un volt de diferență de potențial electric.
„Dacă tragem un electron de la capătul unei baterii de 1,5 volți, acesta va primi 1,5 electron-volți de energie cinetică”, spune Sevior. „Este mult mai slab decât o mușcătură de țânțar, nu o vei observa, dar dacă lovești un fascicul cu un megawatt de energie, va arde o gaură în tine.”
Este căutarea modalităților de a combina două teorii fundamentale - GR (despre gravitație) și SM (model standard care combină trei interacțiuni fizice fundamentale - electromagnetice, puternice și slabe). Găsirea unei soluții înainte de crearea LHC a fost împiedicată de dificultățile în crearea unei teorii a gravitației cuantice.
Construirea acestei ipoteze presupune combinarea a două teorii fizice – mecanica cuantică și relativitatea generală.
Pentru aceasta, au fost folosite simultan mai multe abordări populare și necesare în timpurile moderne - teoria corzilor, teoria branelor, teoria supergravitației, precum și teoria gravitației cuantice. Înainte de construcția civizorului, principala problemă în efectuarea experimentelor necesare a fost lipsa de energie, care nu poate fi realizată cu alte acceleratoare moderne de particule.
Geneva LHC le-a oferit oamenilor de știință oportunitatea de a efectua experimente anterior imposibil de fezabil. Se crede că în viitorul apropiat, cu ajutorul aparatului, multe teorii fizice vor fi confirmate sau infirmate. Una dintre cele mai problematice este supersimetria sau teoria corzilor, care pentru o lungă perioadă de timp a împărțit fizicul în două tabere - „stringers” și rivalii lor.
Alte experimente fundamentale efectuate ca parte a activității LHC
De asemenea, este interesantă cercetările oamenilor de știință în domeniul studierii quarcilor de top, care sunt cei mai mulți quarci și cei mai grei (173,1 ± 1,3 GeV/s²) dintre toate particulele elementare cunoscute în prezent.
Din cauza acestei proprietăți, chiar înainte de crearea LHC, oamenii de știință au putut observa doar quarcii la acceleratorul Tevatron, deoarece alte dispozitive pur și simplu nu aveau suficientă putere și energie. La rândul său, teoria quarcilor este un element important al ipotezei senzaționale a bosonului Higgs.
Toate cercetările științifice privind crearea și studiul proprietăților cuarcilor sunt efectuate de oamenii de știință în camera de aburi de top quark-antiquark de la LHC.
Un obiectiv important al proiectului de la Geneva este și procesul de studiu al mecanismului de simetrie electroslabă, care este legat și de demonstrarea experimentală a existenței bosonului Higgs. Dacă definim problema mai precis, atunci subiectul de studiu nu este atât bosonul însuși, cât mecanismul de încălcare a simetriei interacțiunii electroslabe prezis de Peter Higgs.
În cadrul LHC, se desfășoară și experimente pentru căutarea supersimetriei - iar rezultatul dorit va fi atât dovada teoriei că orice particulă elementară este întotdeauna însoțită de un partener mai greu, cât și respingerea acesteia.
Abreviat LHC (Large Hadron Collider, abreviat ca LHC) este un accelerator de particule încărcate în fasciculele care se ciocnesc, conceput pentru a accelera protonii și ionii grei (ioni de plumb) și pentru a studia produsele coliziunilor lor. Civizorul a fost construit la CERN (Consiliul European pentru Cercetare Nucleară), situat lângă Geneva, la granița dintre Elveția și Franța. LHC este cea mai mare unitate experimentală din lume. Peste 10.000 de oameni de știință și ingineri din peste 100 de țări au participat și participă la construcții și cercetare.
Este numit mare datorită dimensiunii sale: lungimea inelului principal al acceleratorului este de 26.659 m; hadronic - datorită faptului că accelerează hadronii, adică particulele grele formate din quarci; collider (în engleză collider - collider) - datorită faptului că fasciculele de particule sunt accelerate în direcții opuse și se ciocnesc în puncte speciale de coliziune.
Specificații
Acceleratorul ar trebui să ciocnească protoni cu o energie totală de 14 TeV (adică 14 teraelectronvolți sau 14 1012 electronvolți) în sistemul de centru de masă al particulelor incidente, precum și nuclee de plumb cu o energie de 5 GeV (5 109). electron volți) pentru fiecare pereche de nucleoni care se ciocnesc. La începutul anului 2010, LHC-ul depășise deja oarecum campionul anterior în ceea ce privește energia protonilor - ciocnitorul proton-antiproton Tevatron, care până la sfârșitul anului 2011 a funcționat la Laboratorul Național de Accelerator. Enrico Fermi (SUA). În ciuda faptului că reglarea echipamentului se întinde de ani de zile și nu a fost încă finalizată, LHC a devenit deja cel mai mare accelerator de particule de energie din lume, depășind cu un ordin de mărime alți colizionatori în energie, inclusiv ionul greu relativist RHIC. colisionar care operează la Brookhaven Laboratory (SUA).
Luminozitatea LHC în primele săptămâni de rulare nu a fost mai mare de 1029 particule/cm 2 s, cu toate acestea, aceasta continuă să crească constant. Scopul este de a obține o luminozitate nominală de 1,7·1034 particule/cm 2 s, care este în ordinul mărimii egală cu luminozitățile BaBar (SLAC, SUA) și Belle (engleză) (KEK, Japonia).
Acceleratorul este situat în același tunel ocupat anterior de marele coliziune electron-pozitron. Tunelul cu o circumferință de 26,7 km a fost așezat în subteran în Franța și Elveția. Adâncimea tunelului este de la 50 la 175 de metri, iar inelul tunelului este înclinat cu aproximativ 1,4% față de suprafața pământului. Pentru a ține, corecta și focaliza fasciculele de protoni se folosesc 1624 de magneți supraconductori, a căror lungime totală depășește 22 km. Magneții funcționează la o temperatură de 1,9 K (-271 °C), care este puțin sub temperatura superfluidului heliului.
detectoare LHC
LHC are 4 detectoare principale și 3 auxiliare:
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
- ATLAS (un aparat toroidal LHC)
- CMS (Solenoid Compact Muon)
- LHCb (Experimentul de frumusețe al lui Large Hadron Collider)
- TOTEM (Măsurarea totală a secțiunii transversale elastice și difractive)
- LHCf (The Large Hadron Collider înainte)
- MoEDAL (Detector de monopol și exotice la LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb sunt detectoare mari situate în jurul punctelor de coliziune ale fasciculului. Detectoarele TOTEM și LHCf sunt auxiliare, situate la o distanță de câteva zeci de metri de punctele de intersecție a fasciculului ocupate de detectoarele CMS și, respectiv, ATLAS, și vor fi utilizate împreună cu cele principale.
Detectoarele ATLAS și CMS sunt detectoare de uz general concepute pentru a căuta bosonul Higgs și „fizica non-standard”, în special materia întunecată, ALICE - pentru a studia plasma cuarc-gluon în coliziunile cu ionii grei de plumb, LHCb - pentru a studia fizica a cuarcilor b, care va permite o mai bună înțelegere a diferențelor dintre materie și antimaterie, TOTEM este conceput pentru a studia împrăștierea particulelor la unghiuri mici, cum se întâmplă cu intervale apropiate, fără ciocniri (așa-numitele particule care nu se ciocnesc, înainte particule), care vă permite să măsurați mai precis dimensiunea protonilor, precum și să controlați luminozitatea ciocnitorului și, în sfârșit, LHCf - pentru studiul razelor cosmice, modelat folosind aceleași particule care nu se ciocnesc.
Al șaptelea detector (experiment) MoEDAL, conceput pentru a căuta particule grele care se mișcă încet, este, de asemenea, asociat cu funcționarea LHC.
În timpul funcționării ciocnitorului, ciocnirile se desfășoară simultan în toate cele patru puncte de intersecție ale fasciculelor, indiferent de tipul de particule accelerate (protoni sau nuclee). În același timp, toți detectoarele colectează statistici simultan.
Accelerația particulelor într-un colisionator
Viteza particulelor din LHC pe fasciculele care se ciocnesc este apropiată de viteza luminii în vid. Accelerarea particulelor la energii atât de mari se realizează în mai multe etape. În prima etapă, acceleratoarele liniare Linac 2 și Linac 3 cu energie scăzută injectează protoni și ioni de plumb pentru o accelerare suplimentară. Apoi particulele intră în amplificatorul PS și apoi în PS (sincrotronul de protoni) însuși, dobândind o energie de 28 GeV. Cu această energie, ei se mișcă deja cu o viteză apropiată de lumina. După aceea, accelerația particulelor continuă în SPS (Proton Super Synchrotron), unde energia particulelor ajunge la 450 GeV. Apoi mănunchiul de protoni este trimis către inelul principal de 26,7 kilometri, aducând energia protonilor la maximum 7 TeV, iar în punctele de coliziune, detectoarele înregistrează evenimentele care au loc. Două fascicule de protoni care se ciocnesc, atunci când sunt complet umplute, pot conține 2808 ciorchini fiecare. În fazele inițiale de depanare a procesului de accelerare, doar un ciorchine circulă într-un mănunchi lung de câțiva centimetri și de dimensiuni transversale mici. Apoi încep să crească numărul de cheaguri. Grupurile sunt situate în poziții fixe unul față de celălalt, care se mișcă sincron de-a lungul inelului. Aglomerările dintr-o anumită secvență se pot ciocni în patru puncte ale inelului, unde se află detectoarele de particule.
Energia cinetică a tuturor ciorchinelor de hadron din LHC atunci când este complet umplută este comparabilă cu energia cinetică a unui avion cu reacție, deși masa tuturor particulelor nu depășește un nanogram și nici măcar nu pot fi văzute cu ochiul liber. O astfel de energie este obținută datorită vitezei particulelor apropiate de viteza luminii.
Ciorchinii trec printr-un cerc complet al acceleratorului mai repede de 0,0001 sec, făcând astfel mai mult de 10 mii de rotații pe secundă
Scopurile și obiectivele LHC
Sarcina principală a Large Hadron Collider este de a afla structura lumii noastre la distanțe mai mici de 10–19 m, „sondând” cu particule cu o energie de câțiva TeV. Până în prezent, s-au acumulat deja o mulțime de dovezi indirecte că, la această scară, fizicienii ar trebui să deschidă un anumit „nou strat al realității”, al cărui studiu va oferi răspunsuri la multe întrebări ale fizicii fundamentale. Ce se va dovedi exact acest strat al realității nu se știe dinainte. Teoreticienii, desigur, au propus deja sute de fenomene diverse care ar putea fi observate la energii de coliziune de mai mulți TeV, dar experimentul este cel care va arăta ce se realizează de fapt în natură.
Căutarea unei noi fizici Modelul standard nu poate fi considerat teoria supremă a particulelor elementare. Trebuie să facă parte dintr-o teorie mai profundă a structurii microlumii, partea care este vizibilă în experimentele cu coliziune la energii sub aproximativ 1 TeV. Astfel de teorii sunt denumite în mod colectiv „Noua fizică” sau „Dincolo de modelul standard”. Sarcina principală a Large Hadron Collider este de a obține cel puțin primele indicii despre ceea ce este această teorie mai profundă. Pentru a combina în continuare interacțiunile fundamentale într-o singură teorie, sunt utilizate diverse abordări: teoria corzilor, care a fost dezvoltată în teoria M (teoria branei), teoria supergravitației, gravitația cuantică în buclă etc. Unele dintre ele au probleme interne și niciuna dintre ele nu are probleme interne. confirmare experimentală. Problema este că, pentru a efectua experimentele corespunzătoare, sunt necesare energii care nu sunt atinse la acceleratoarele de particule moderne. LHC va permite experimente care anterior erau imposibile și probabil va confirma sau infirma unele dintre aceste teorii. Astfel, există o întreagă gamă de teorii fizice cu dimensiuni mai mari de patru care sugerează existența „supersimetriei” – de exemplu, teoria corzilor, care uneori este numită teoria superstringurilor tocmai pentru că fără supersimetrie își pierde sensul fizic. Confirmarea existenței supersimetriei ar fi astfel o confirmare indirectă a adevărului acestor teorii. Studierea quarcilor de top Cuarcul de top este cel mai greu quarc și, în plus, este cea mai grea particulă elementară descoperită până acum. Conform celor mai recente rezultate de la Tevatron, masa sa este de 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Din cauza masei sale mari, quarcul de top a fost observat până acum doar la un accelerator, Tevatron; altor acceleratoare pur și simplu nu aveau energia necesară pentru a-l produce. În plus, quarcii de top sunt de interes pentru fizicieni nu numai în sine, ci și ca „instrument de lucru” pentru studierea bosonului Higgs. Unul dintre cele mai importante canale pentru producerea bosonului Higgs la LHC este producția asociativă împreună cu perechea top quark-antiquark. Pentru a separa în mod fiabil astfel de evenimente de fundal, este mai întâi necesar să se studieze proprietățile quarcilor de top înșiși. Studierea mecanismului de simetrie electroslabă Unul dintre obiectivele principale ale proiectului este de a demonstra experimental existența bosonului Higgs, o particulă prezisă de fizicianul scoțian Peter Higgs în 1964 în cadrul Modelului Standard. Bosonul Higgs este un cuantum al așa-numitului câmp Higgs, la trecerea prin care particulele experimentează rezistență, pe care o reprezentăm ca corecții la masă. Bosonul în sine este instabil și are o masă mare (mai mult de 120 GeV/c2). De fapt, fizicienii nu sunt atât de interesați de bosonul Higgs în sine, cât de mecanismul Higgs de ruptură de simetrie a interacțiunii electroslabe. Studiul plasmei cuarc-gluon Este de așteptat ca aproximativ o lună pe an să fie petrecută în accelerator în modul de coliziuni nucleare. În această lună, ciocnitorul va accelera și se va ciocni în detectoare nu protoni, ci nuclee de plumb. Într-o coliziune neelastică a două nuclee la viteze ultrarelativiste, se formează pentru scurt timp un bulgăre dens și foarte fierbinte de materie nucleară și apoi se descompune. Înțelegerea fenomenelor care apar în acest caz (trecerea materiei la starea plasmei cuarc-gluon și răcirea acesteia) este necesară pentru a construi o teorie mai perfectă a interacțiunilor puternice, care va fi utilă atât pentru fizica nucleară, cât și pentru astrofizică. Căutarea supersimetriei Prima realizare științifică semnificativă a experimentelor la LHC poate fi dovedirea sau infirmarea „supersimetriei” - teoria conform căreia orice particulă elementară are un partener mult mai greu, sau „superparticulă”. Studiul ciocnirilor foton-hadron și foton-foton Interacțiunea electromagnetică a particulelor este descrisă ca un schimb de fotoni (în unele cazuri virtuali). Cu alte cuvinte, fotonii sunt purtători ai câmpului electromagnetic. Protonii sunt încărcați electric și înconjurați de un câmp electrostatic, respectiv, acest câmp poate fi considerat ca un nor de fotoni virtuali. Orice proton, în special un proton relativist, include un nor de particule virtuale ca parte integrantă. Când protonii se ciocnesc între ei, particulele virtuale care înconjoară fiecare dintre protoni interacționează și ele. Din punct de vedere matematic, procesul de interacțiune a particulelor este descris printr-o serie lungă de corecții, fiecare dintre acestea descriind interacțiunea prin intermediul particulelor virtuale de un anumit tip (vezi: Diagramele Feynman). Astfel, atunci când se studiază ciocnirea protonilor, se studiază indirect și interacțiunea materiei cu fotonii de înaltă energie, care prezintă un mare interes pentru fizica teoretică. De asemenea, este luată în considerare o clasă specială de reacții - interacțiunea directă a doi fotoni, care se pot ciocni atât cu un proton care se apropie, generând ciocniri tipice foton-hadron, cât și unul cu celălalt. În modul ciocnirilor nucleare, datorită sarcinii electrice mari a nucleului, influența proceselor electromagnetice este și mai importantă. Testarea teoriilor exotice Teoreticienii de la sfârșitul secolului al XX-lea au prezentat un număr mare de idei neobișnuite despre structura lumii, care sunt numite colectiv „modele exotice”. Acestea includ teorii cu gravitație puternică pe scara de aproximativ 1 TeV, modele cu un număr mare de dimensiuni spațiale, modele preon în care quarcurile și leptonii înșiși sunt alcătuiți din particule, modele cu noi tipuri de interacțiune. Faptul este că datele experimentale acumulate încă nu sunt suficiente pentru a crea o singură teorie. Și toate aceste teorii în sine sunt compatibile cu datele experimentale disponibile. Deoarece aceste teorii pot face predicții specifice pentru LHC, experimentatorii plănuiesc să testeze predicțiile și să caute urme ale anumitor teorii în datele lor. Este de așteptat ca rezultatele obținute la accelerator să poată limita imaginația teoreticienilor, închizând unele dintre construcțiile propuse. Altele Se așteaptă, de asemenea, să detecteze fenomene fizice în afara cadrului modelului standard. Se preconizează studierea proprietăților bosonilor W și Z, a interacțiunilor nucleare la energii superînalte, a proceselor de producere și dezintegrare a quarcilor grei (b și t).
Candidat la Științe Fizice și Matematice E. LOZOVSKAYA.
În ce măsură poate fi zdrobit un grăunte de materie, cum ar fi un grăunte de nisip? Din ce este făcută lumea din jurul nostru? Cum, când și de unde au venit stelele, planetele și orice altceva? Aceste întrebări îi bântuie pe oameni de multă vreme. Și cu cât oamenii de știință pătrund mai adânc în secretele naturii, cu atât experimentele științifice devin mai dificile.
Știință și viață // Ilustrații
Știință și viață // Ilustrații
Știință și viață // Ilustrații
Știință și viață // Ilustrații
Știință și viață // Ilustrații
Probabil, fiecare dintre noi a încercat măcar o dată să demonteze jucăria pentru a vedea ce este în ea. O astfel de curiozitate îi determină și pe oamenii de știință care caută să afle structura materiei până la cele mai elementare blocuri de construcție. Și pentru a efectua astfel de cercetări, ei proiectează și construiesc instalații experimentale speciale - acceleratoare.
La granița dintre Elveția și Franța, adânc sub pământ, există un imens tunel circular. Lungimea sa este de aproape 27 km. Odată, în anii '80 ai secolului XX, acest tunel a fost săpat pentru ca cercetătorii de la CERN - Centrul European de Cercetare Nucleară - să poată accelera electronii și pozitronii din el la viteze extraordinare. Acum un nou accelerator a fost creat chiar în acest tunel, care se numește Large Hadron Collider.
Ce este?
Cuvântul „colider” provine din engleza collide - collide. Într-un ciocnitor, două fascicule de particule zboară unul spre celălalt, iar la ciocnire, energiile fasciculelor se adună. La acceleratoarele convenționale, fasciculul lovește o țintă imobilă, iar energia unui astfel de impact este mult mai mică.
De ce ciocnitorul se numește hadron? Printre particulele elementare există o familie de hadroni. Include protoni și neutroni, care alcătuiesc nucleele tuturor atomilor, precum și o varietate de mezoni. O proprietate importantă a hadronilor este că nu sunt cu adevărat particule elementare, ci constau din quarci „lipiți împreună” de gluoni.
Nu orice hadron poate fi dispersat într-un colisionator de hadron, ci doar unul care are o sarcină electrică. De exemplu, un neutron este o particulă neutră, ceea ce este evident din nume, iar câmpul electromagnetic nu acționează asupra ei. Prin urmare, principalele obiecte ale experimentului vor fi protonii (nucleele atomilor de hidrogen) și nucleele grele de plumb.
Astăzi, Large Hadron Collider este cel mai puternic din lume. Cu ajutorul acestuia, fizicienii speră să obțină protoni cu o energie de 7 TeV (teraelectronvolt, adică 10 12 eV). Aceasta înseamnă că o energie totală de 14 TeV va fi eliberată în timpul coliziunii. Pentru a obține această energie, protonii trebuie să călătorească aproape cu viteza luminii (mai precis, la o viteză care este de 0,999999991 din viteza luminii). În plus, fiecare proton într-o secundă va zbura prin inelul de 27 de kilometri de 11.000 de ori! Un fascicul de protoni poate zbura în interiorul ciocnitorului timp de 10 ore. În acest timp, el va depăși peste 10 miliarde de kilometri - distanța până la planeta Neptun și înapoi.
Cum este aranjat?
Magneții supraconductori sunt instalați de-a lungul întregului tunel. Particulele sunt accelerate într-un câmp electric, iar câmpul magnetic le direcționează de-a lungul unei căi circulare - altfel se vor ciocni în perete. Deoarece magneții nu sunt simpli, ci supraconductori (numai ei fac posibilă atingerea valorilor de câmp magnetic necesare), aceștia trebuie să fie răciți la o temperatură de 1,9 K. Aceasta este mai mică decât temperatura din spațiul cosmic (2,7 K). Pentru a obține frig cosmic în condiții terestre, 120 de tone de heliu lichid trebuie turnate în sistemele de răcire ale civizorului.
Două grinzi se mișcă în direcții opuse de-a lungul a două tuburi inelare. Nimic nu ar trebui să interfereze cu mișcarea particulelor, astfel încât aerul din conducte este pompat într-un vid profund. Ciocnirile pot avea loc numai în cele patru puncte în care conductele se intersectează. O coliziune frontală între două particule este un eveniment destul de rar. Când două fascicule de 100 de miliarde de particule se încrucișează fiecare, doar 20 de particule se ciocnesc. Dar, deoarece fasciculele se traversează de aproximativ 30 de milioane de ori pe secundă, pot avea loc 600 de milioane de coliziuni în fiecare secundă.
De ce este nevoie?
Interacțiunea și transformările particulelor elementare cunoscute până în prezent sunt bine descrise de o teorie numită Modelul Standard. Dar această teorie nu poate răspunde la unele întrebări. De exemplu, nu poate explica de ce unele particule au o masă mare, în timp ce altele nu o au deloc. Există o ipoteză că o particulă specială, bosonul Higgs, este responsabilă de masă. Acesta este ceea ce fizicienii speră să descopere atunci când fasciculele de protoni de înaltă energie se ciocnesc. Este posibil ca Large Hadron Collider să ne ajute să înțelegem ce sunt materia întunecată și energia întunecată, care, potrivit astrofizicienilor, reprezintă mai mult de 95% din toată materia din univers.
În ciocnirile de fascicule de nuclee grele, fizicienii speră să creeze condițiile pentru Big Bang - punctul de plecare pentru dezvoltarea Universului. Se crede că în primele momente după explozie a existat doar plasmă de quarc-gluoni. După o sutime de microsecundă, quarcii s-au combinat în trei pentru a forma protoni și neutroni. Până acum, niciun experiment nu a reușit să „împartă” un proton și să elimine quarci individuali din acesta. Dar cine știe, poate că Large Hadron Collider va face față acestei sarcini - la urma urmei, atunci când nucleele de plumb se ciocnesc, se presupune că va atinge o temperatură de o sută de mii de ori mai mare decât temperatura din centrul Soarelui.
Cum să vezi invizibilul?
Din păcate, oamenii de știință nu au la dispoziție un instrument care să poată înregistra direct, de exemplu, plasma cuarc-gluon: după o perioadă nesemnificativ de scurtă de 10 -23 de secunde, aceasta va dispărea fără urmă. Rezultatele experimentului trebuie judecate după „dovezi” - urmele lăsate de particulele născute în timpul experimentului. După cum glumesc fizicienii, nu este mai ușor decât să recreezi aspectul pisicii Cheshire din zâmbetul său.
Despre găurile negre și „sfârșitul lumii”
Există multe mituri asociate cu Large Hadron Collider. De exemplu, ei spun că atunci când particulele cu energie mare se ciocnesc, se formează o gaură neagră, în care poate „trage” întreaga noastră planetă și va veni „sfârșitul lumii”. De fapt, energia de 14 TeV, care este un record pentru fizica particulelor elementare, este extrem de mică - este de două milionimi de joule. Aducerea unui litru de apă la fierbere ar necesita energia a peste o sută de miliarde de ciocniri proton-proton. În plus, Pământul a fost bombardat de miliarde de ani de particule cosmice cu energii de milioane de ori mai mari decât energia protonilor din accelerator. Și până acum, nu a dus la niciun fel de consecințe teribile. Adevărat, unii fizicieni cred că găurile negre vor apărea în colisionar - dar microscopice și de foarte scurtă durată.
Energia este măsurată în diferite unități - în jouli, calorii, kilowați-oră. Sistemul internațional SI include doar joule. Dar în fizica particulelor elementare, electronvoltul și derivații săi - KeV, MeV, GeV, TeV - sunt cel mai adesea folosite pentru a măsura energia. Electronvoltul este o unitate convenabilă. Se bazează pe noțiunea bine înțeleasă că un singur electron este accelerat de o diferență de potențial de 1 volt și dobândește o anumită cantitate de energie în proces. 1 eV \u003d 1.6.10 -19 J. În electron volți, se măsoară nu numai energia, ci și masa. Conform celebrei ecuații a lui Einstein E=mc 2 , energia și masa sunt două fețe ale aceleiași monede. Masa poate fi transformată în energie și invers. Într-un ciocnitor, astfel de transformări apar la fiecare coliziune.
Faptul că materia constă din particule indivizibile - atomi, a fost sugerat de savantul grec antic Democrit (apropo, „atom” în greaca veche înseamnă „indivizibil”). Dar abia după multe secole, fizicienii au demonstrat că acesta este cazul. Apoi s-a dovedit că atomul poate fi de fapt divizat - este format din electroni și un nucleu, iar nucleul este format din protoni și neutroni. Dar ele, după cum sa dovedit, nu sunt cele mai mici particule și, la rândul lor, constau din quarci. Fizicienii cred că quarcurile sunt limita fisiunii materiei și că nu există nimic mai puțin în lume. Iar quarcii sunt legați unul de celălalt cu ajutorul gluonilor (din engleză glue - glue).
Fizica particulelor este studiul celor mai mici obiecte din natură. Dimensiunea unui atom este de 10 -10 m, dimensiunea unui nucleu atomic este de 10 -14 m, dimensiunea unui proton și a unui neutron este de 10 -15 m, electronii sunt mai mici de 10 -18 m, iar quarcii sunt mai mici. de 10 -19 m. Pentru a compara aceste numere, imaginați-vă că diametrul protonului va fi de aproximativ 10 cm. Atunci electronii și quarcii vor avea mai puțin de 0,1 mm, iar întregul atom va avea o diametru de 10 km.
