Старощук Валерий Алимович. Бак

Большой адронный коллайдер

Ворона никогда не учила физики, но прекрасно её применяет на практике. Чтобы расколоть крепкий орешек, умная птица поднимается с ним на высоту пяти этажей и бросает на камни или асфальт. Падая с большой высоты, орех набирает скорость и разбивается от сильного удара. Вороне остаётся только собрать интересующие её кусочки.

Атомы, из которых состоит орех, таким способом не разобьёшь, - нужна энергия намного больше. Физики придумали специальные ускорители, в которых частички вещества сначала разгоняют почти до скорости света, и только потом сталкивают друг с другом. В этом случае можно получить частички, из которых состоят все тела на земле, в том числе орех, ворона, журнал "Колосок" и мы с вами. Но даже ворона-экспериментатор знает, что разлетающиеся кусочки ореха опасны, ведь они могут попасть в глаза. Осколки атомов опаснее в миллионы раз! Разлетаясь на огромной скорости, они могут навредить здоровью человека и даже убить его, поэтому ускорители ученым приходится строить, глубоко под землёй. Самый мощный ускоритель в мире построен на границе Швейцарии и Франции в скалах на глубине 100 м и называется Большой адронный коллайдер, сокращенно БАК (LHC).

Чтобы понять, зачем его сделали таким большим и так назвали, давайте сначала рассмотрим современную модель атома. Напомним, - атом очень маленький. На фото под микроскопом вы видите сломанный волос человека толщиной 0,08 мм. Получить такую толщину можно, если поставить в ряд примерно 250 тысяч атомов! Но мы знаем, что внутри атома находится ядро, которое меньше самого атома примерно в 10 тысяч раз! Если ядро увеличить до размеров ореха, то в атом поместится футбольное поле! Самое удивительное, что почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, а вокруг летают легкие, отрицательно заряженные электроны.

Рассмотрим ядро поближе. У всех атомов оно состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов (кроме атома Гидрогена, ядро которого состоит всего из одного протона). Изменяя количество протонов и нейтронов, мы можем получить все химические элементы таблицы Менделеева. Надо только помнить, что количество протонов определяют химические свойства атома. Например, стоит у ядра ртути забрать один протон, как это уже будет ядро золота. Но забрать или добавить протон оказалось делом сложным, и стоимость такого золота будет в раз в десять больше, чем полученного из золотой руды.

Чтобы узнать из чего состоят протоны и нейтроны, ученые сталкивают частички друг с другом на большой скорости, и с помощью специальных датчиков ловят осколки. Как вы поняли эксперименты эти очень дорогие, и дома их не проведешь, поэтому в 1953 году 12 европейских стран подписали соглашение о создании Европейской организации по ядерным исследованиям ЦЕРН (CERN). Аббревиатура CERN произошла от фр. Conseil EuropИen pour la Recherche NuclИaire Церн [Старощук]

(Европейский совет по ядерным исследованиям). В настоящее время число стран-членов возросло до 20. Кроме того, некоторые страны и международные организации имеют статус наблюдателя. В ЦЕРНе постоянно работают около 2500 человек, ещё около 8000 физиков и инженеров из 580 университетов и институтов из 85 стран участвуют в международных экспериментах ЦЕРНа и работают там временно, в том числе и ученые Украины.

ЦЕРН находится на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы. Территория ЦЕРНа состоит из двух основных площадок и нескольких более мелких. Большой комплекс зданий включает в себя рабочие кабинеты, лаборатории, производственные помещения, склады, залы для конференций, жилые помещения, столовые. Ускорительный комплекс расположен, как на поверхности (старые ускорители Linac, PS), так и под землёй на большой глубине до 100 метров (более современные SPS, LHC).

Частицы разгоняют в несколько этапов. Сначала протоны или тяжелые ионы (например, атома свинца) разгоняют в линейных ускорителях Linac2, Linac3. Затем в ускорителе PS Booster их скорость становится еще больше, и они попадают в протонный суперсинхротрон (на схеме SPS, Super Proton Synchrotron). Впервые его запустили в 1971 году. Это кольцо диаметром 2 км, где частички разгоняются почти до скорости света, затем разделяются на два потока и запускаются навстречу друг другу в большое кольцо длиной 26,7км адронного коллайдера (на схеме LHC, Large Hadron Collider)!

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.

Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Общий вес одного магнита более 27 тонн. На фото вы видите один из таких магнитов

Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Их необходимо охладить 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). На фото показано количество кабелей, которое пришлось бы применить, чтобы пропустить ток 12500 А (такой ток потребляют 42 тысячи лампочки на 60 Вт). 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. Теперь вы понимаете, почему коллайдер назвали большим!

В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. В точке столкновения протонов температура более чем в 100 тысяч раз выше, чем в центре Солнца, при том, что сверхпроводящие магниты БАКе охлаждены до -271,3 градуса по Цельсию. Так что, можно сказать, БАК - это одновременно и самая горячая, и самая холодная машина в мире.

Столкновение двух частиц "лоб в лоб" - событие довольно редкое, так как частички очень маленькие. 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. Ученые всегда рады столкновениям, потому что тогда, они могут увидеть не только из чего состоят частички, но и рождение новых частиц!

При столкновении протонов во все стороны летят "брызги-осколки" - элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в по тем же трубам будут ускорять не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.

Однако столкнуть две частицы "лоб в лоб" - это только половина дела. К сожалению, сегодня в распоряжении ученых нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму (по современным представлениям нейтроны и протоны состоят из кварков, которые взаимодействуют с помощью глюонов (англ. gluon от glue -- клей), которая исчезнет без следа через ничтожно короткий промежуток времени 10 в минус 23 степени секунды.

Вот так ученые представляют кварково-глюонную плазму, из которой рождаются разные частицы. О результатах эксперимента приходится судить по следам, оставленным частицами, родившимися в ходе эксперимента. Для регистрации частиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы - детекторы. Их шесть - ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (Yhe Large Hadron Collider beauty experiment), TOTEM (TOTal Elastic and diffraclive cross section Measurement) и LHCf (The Large Hadron Collider forward). На фото вы можете видеть следы полученных частиц во время столкновения в детекторе ALICE.

Чем же нам поможет такой огромный инструмент, как БАК?

Во-первых, он поможет воссоздать условия, при которых родились многие частички. Это важно, так как, зная всё о прошлом, можно лучше предсказать будущее.

Во-вторых, если обнаружат частичку бозон Хиггса, он поможет объединить все существующие теории взаимодействий в одну единую картину мироздания. Если её не обнаружат, то наши современные попытки объяснить мир с помощью Стандартной модели окажутся напрасными, и ученые начнут создавать новую теорию.

В-третьих, с помощью экспериментов на коллайдере открываются новые частицы и их свойства, о которых раньше и не думали. Например, до сих пор нет хорошего объяснения факта движения нейтрино со скоростью большей, чес скорость света из Швейцарии в Италию. В тысячах опытах теория относительности Эйнштейна подтверждалась, но не в этот раз.

В Церне впервые был создан интернет, как средство обмена данными многими институтами мира. Сейчас отрабатывается новая система GRID, которая будет в миллиарды раз мощнее по скорости обмена и сохранения информации.

А еще адронный коллайдер - это хорошая школа для молодых ученых со всего мира, которая позволяет не только обмениваться знаниями, но и проверять их на практике.

Я там бував, на площi Галiлея стояв, чого i вам бажаю! :)

Комментарии: 2, последний от 11/06/2012. © Copyright Старощук Валерий Алимович (valerastaroschuk@gmail.com) Размещен: 03/05/2012, изменен: 03/05/2012. 10k. Статистика. Статья: Естествознание Иллюстрации/приложения: 11 шт. Скачать FB2		Оценка: *7.285** Ваша оценка:

Старощук Валерий Алимович : другие произведения.

Бак