Вы не зарегистрированы

Авторизация



Большой адронный коллайдер

Фото пользователя Галина Юрьевна Перминова
Размещено: Галина Юрьевна Перминова - сб, 18/04/2015 - 17:21
Данные об авторе
Автор(ы): 
Выполнили: Щербакова Екатерина, Пекпулатова Надежда. Руководитель: Перминова Г.Ю.
Место работы, должность: 

учитель физики МОУ "Сернурская средняя общеобразовательная школа №1"

 

 

 

 

Регион: 
Республика Марий Эл
Характеристики ресурса
Уровни образования: 
среднее (полное) общее образование
Класс(ы): 
11 класс
Предмет(ы): 
Физика
Целевая аудитория: 
Учащийся (студент)
Целевая аудитория: 
Учитель (преподаватель)
Ресурс для профильной школы: 
Ресурс для профильной школы
Тип ресурса: 
другой тип
Краткое описание ресурса: 
<p>&nbsp;Человечество даже с учетом всех имеющихся на данный момент изобретений еще далеко от понимания полной картины окружающего мира, пространства, времени, материи и энергии. Мир вокруг нас еще хранит множество загадочного и необъяснимого. Нами был проведен опрос учащихся 9-11 классов. И мы выявили, что большинство учеников не знают, что&nbsp; такое БАК и не представляют значимость его. Поэтому большинство учеников и не знают, опасен ли он.&nbsp;&nbsp; Мы решили восполнить эти пробелы, &nbsp;заинтересовались этим вопросом и хотим подробно изучить его. &nbsp;</p> <p>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?</p>

1. Ведение

 

2. Глава 1. Зарождение физики элементарных частиц

  • Что такое элементарная частица………………………………………
  • История открытия элементарных частиц……………………………..
  • Классификация элементарных частиц………………………………...

 

3. Глава 2. БАК

  • Строительство БАК…………………………………………………….
  • Испытание и эксплуатация  БАК………………………………………

 

4. Глава 3.   Научные исследования и факты

  • Расширение Вселенной…………………………………………………
  • возникновение «черных дыр»………………………………………….
  • Отрицательные последствия запуска БАК…………………………….
  • Положительные последствия запуска БАК……………………………

 

5. Глава 4. Заключение…………………………………………………………….

6. Приложения……………………………………………………………………..

7. Список литературы…………………………………………………………….

Введение

 

  В нашем мире еще столько неизведанного и неизученного, что и через несколько веков люди будут удивляться невероятным открытиям и изобретениям ученых и чудесам природы.  Человечество даже с учетом всех имеющихся на данный момент изобретений еще далеко от понимания полной картины окружающего мира, пространства, времени, материи и энергии.

  В двадцатом веке в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, описывающая Вселенную на микроуровне. Проблема сегодняшней науки в том, что две эти теории несовместимы друг с другом. Например, для научного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а эти теории вступают в противоречие.

  С помощью большого адронного коллайдера становится возможным провести эксперименты, о которых ученые и не могли мечтать раньше. Эти эксперименты позволят подтвердить или опровергнуть ряд научных теорий, существующих в настоящее время.  А также, физики ожидают, что БАК откроет новую эру в физике элементарных частиц, и это поможет найти ответ на главные загадки строения материи и энергии во Вселенной.  Но в то же время есть те, кто считает, что нужно срочно приостановить эксперименты на адронном  коллайдере, т.к. он несет огромный риск для нашей планеты. Таит ли БАК в себе какую-то опасность на самом деле? Мы заинтересовались этим вопросом и хотим подробно изучить его. 

Гипотеза: Большой адронный коллайдер  не опасен для человека.

Цель работы: Выяснить опасен ли запуск большого адронного коллайдера для нашей планеты и человечества.

Задачи:

  • Изучить литературу по истории физики элементарных частиц
  • Выяснить цель создания БАК
  • Познакомиться с устройством и принципом работы адронного коллайдера;
  • Познакомиться с научными исследованиями и  взглядами о работе БАК;
  • Узнать в чем  видится опасность БАК.

Методы исследования: теоретический, метод изучения информации с помощью Интернет-ресурсов.

Актуальность: Человечество даже с учетом всех имеющихся на данный момент изобретений еще далеко от понимания полной картины окружающего мира, пространства, времени, материи и энергии. Мир вокруг нас еще хранит множество загадочного и необъяснимого. Нами был проведен опрос учащихся 9-11 классов. И мы выявили, что большинство учеников не знают, что  такое БАК и не представляют значимость его. Поэтому большинство учеников и не знают, опасен ли он.   Мы решили восполнить эти пробелы,  заинтересовались этим вопросом и хотим подробно изучить его.  

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?

Глава 1. Зарождение физики элементарных частиц

 

Что такое элементарные частицы.

Элементарные частицы — мельчайшие неделимые объекты в микромире (в атомном, ядерном и субъядерном масштабе). Из элементарных частиц состоят атомы и атомные ядра. Экспериментально установлено, что элементарные частицы одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм).

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10−24 до 10−22, для резонансов).

История открытия элементарных частиц.

 Первой элементарной частицей, открытой в   процессе изучения микромира еще в конце XIX века, был электрон. Представление о структуре атома развивалось постепенно. Мы начнем обсуждение с открытия электрона.

В 1859 году Юлиус Плюккер открыл катодные лучи. Это лучи, испускаемые разогретым катодом в вакуумной трубке. Они способны вызывать свечение некоторых веществ. Также они обладают кинетической энергией и способны раскручивать легкую вертушку. В 1895 году Жан Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем.

С 1895 года Джозеф Джон Томсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги этой работы были опубликованы в 1897 году в октябрьском номере журнала «Philosophical Magazine». В своем опыте Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу, так как обладают одинаковым отношением заряда к массе, и входят в состав вещества. Так был открыт электрон.

Томсон предложил модель атома, которую иногда называют «пудинг с изюмом». По этой модели атом — положительно заряженное тело с заключенными внутри электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атомов и позднее была опровергнута Эрнестом Резерфордом.

В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике «в знак признания заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах». Катодными лучами так же занимался Филипп Ленард, получивший за свои исследования Нобелевскую премию 1905 года.

 Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередь нейтрона, открытого в 1932 г. Существование позитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучах Карлом Андерсоном. Предположение о существовании в природе нейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найдены мю-мезоны (мюоны) — частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200me. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательный пи-мезоны(p-), существование которых было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон(p0).

В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными». Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, это К-мезоны обоих знаков и К-гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греческого «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греческого «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

Так были открыты антипротон, антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили название резонансов. Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название «очарованных», а в начале 80-х — семейства «красивых» частиц и так называемых промежуточных векторных бозонов. Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной на кварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.

Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы — электрона — в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.

С открытием элементарных частиц физика задалась вопросом об их количестве и строении. Пока элементарных частиц было открыто порядка 10 – каждая элементарная частица считалась истинно элементарной, и делались попытки объяснить строение элементарных частиц исходя из электромагнитного поля. Но построить сходу полевую теорию элементарных частиц не получилось и постепенно это направление физики ушло в тень, хотя работы в нем продолжаются.

Параллельно классической полевой теории в физике велись работы по созданию квантовой теории поля, которые и вышли на передний план. В основе квантовой теории лежит утверждение, что взаимодействия носят дискретный характер и передаются с помощью переносчиков – квантов. Но реально в природе были обнаружены только фотон и другие элементарные частицы. Поэтому в качестве не обнаруженных переносчиков взаимодействий элементарных частиц были выбраны сами элементарные частицы, которым приписывалась возможность временного существования и в виртуальном состоянии в нарушение закона сохранения энергии. Ну а поскольку существование виртуальных частиц кратковременное то доказать или опровергнуть экспериментально данное утверждения не представляется возможным.

Так вот квантовая теория утверждает, что элементарные частицы (участвующие с точки зрения квантовой теории в сильных взаимодействиях) имеют сложную структуру и состоят из кварков. В качестве математического обоснования гипотезы кварков была разработана унитарная симметрия. Но кварки в свободном виде не были обнаружены, ни при каких энергиях и тогда квантовой теории пришлось придумать механизм препятствующий появлению кварков в свободном виде. Для этого глюоны (предполагаемые переносчики сильных взаимодействий также не найденные в природе) были наделены уникальными свойствами (конфайнмент) – способностью создавать себе подобных при движении (такой способностью не обладает ни одна элементарная частица). Понятно, что закон сохранения энергии опять был проигнорирован.

Несмотря на определенный успех квантовой теории работы над полевой теорией элементарных частиц не прекращались. Прогресс в данном направлении наметился в середине 70-х годов прошлого века, когда была сделана попытка объединить классику с не противоречащей ей частью квантовой механики. Так в результате ввода квантовых чисел удалось получить правильный спектр основных состояний элементарных частиц (включающий фотон, лептоны без тау-лептона, мезоны, барионы, векторные мезоны). Стало ясно, что данное направление является перспективным. Дальнейшая работа, подкрепленная развитием вычислительной техники и появлением компьютеров позволяющих рассчитывать взаимодействия магнитных полей привела к значительному продвижению полевой теории элементарных частиц.

Теперь полевая теория элементарных частиц описывает весь спектр элементарных частиц, в котором естественно не нашлось места для вымышленных кварков, глюонов, гравитона, гравитино, бозонов Хиггса. Кроме того, она определила структуру электрического поля в ближней зоне (на расстояниях порядка величине радиуса элементарной частицы) как заряженных, так и нейтральных элементарных частиц, объяснила откуда берется электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется, магнитные поля элементарных частиц и чем на самом деле являются ядерные силы. Но самое главное – это то, что все законы природы действуют, в том числе и такой нелюбимый квантовой теорией и ее калибровочными бозонами закон сохранения энергии.

 

Классификация элементарных частиц.

 

Представление о структуре атома развивалось постепенно. В настоящее время пользуются Стандартной моделью атома, где  ядро атома состоит из адронов, которые состоят из кварков. Кварки – частицы с нецелым зарядовым числом. Кварки обмениваются между собой глюонами, частицами с нулевой массой и нулевым зарядом.

По видам взаимодействий квантовая теория разделяет элементарные частицы на следующие группы: адроны - элементарные частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий;

 

Классификация адронов

Мезоны

Барионы

Нуклоны

Гипероны

Протоны

Нейтроны

       

 

Ква́рки — фундаментальные частицы, из которых состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных сортов (чаще говорят — ароматов) кварков

 

 

Название

Заряд

Масса

d

Нижний (нейтронный)

down

−1/3

~ 4 МэВ/c2

u

Верхний (протонный)

up

+2/3

~ 6 МэВ/c2

s

странный

strange

−1/3

150 МэВ/c2

c

очарованный

charm

+2/3

1.5 ГэВ/c2

b

прелестный

beauty (bottom)

−1/3

4.5 ГэВ/c2

t

истинный

truth (top)

+2/3

171 ГэВ/c2

 

Кварки не могут наблюдаться в свободном виде.

Частицы не входящие в состав ядра – лептоны. Лептоны - фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, а участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях.  На сегодня известно 6 лептонов и 6 их античастиц.

 

Лептоны

Электрон

Позитрон

Мюон

Антимюон

Таон

Антитаон

Электронное нейтрино

Антинейтрино

Мюонное нейтрино

Антинейтрино

Таонное нейтрино

Антинейтрино

 

Калибровочные бозоны - фотоны, промежуточные векторные бозоны и предполагаемые переносчики слабых  взаимодействий, бозоны обнаружены в начале 1980-х годов

 

Классификация элементарных частиц в полевой теории

С точки зрения полевой теории все явления описываются с помощью гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействий; электродинамическую картину мира дополнили принципом квантования энергии; объекты квантового мира обладают волновыми и корпускулярными свойствами, открыт обменный характер взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие передается фотонами.  Сильное взаимодействие между нуклонами – пи-мезонами (1945). Взаимодействия между частицами происходят посредством обмена частицами – переносчиками этих взаимодействий.

 

Взаимодействия

Переносчики

Гравитационное

Гравитоны m=0

Слабое

W-,W+ и Z0 бозоны

85 и 95 масс протона

Электромагнитное

Фотоны (m=0,q=0)

Сильное

Глюоны (m=0,q=0)

 

Слабых взаимодействий в природе нет, а степень участия элементарных частиц в ядерных силах определяется квантовым числом  и энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле. С ростом квантового числа растет процент энергии сосредоточенной в постоянном магнитном поле элементарных частиц, а также величина массы покоя - следовательно, растет и степень участия частицы в "сильных" взаимодействиях. Так что из четырех  типов фундаментальных взаимодействий в природе реально существует только два - электромагнитные и гравитационные, как и соответствующие им поля. Гравитоны – частицы, осуществляющие гравитационное взаимодействие, пока не обнаружены

Новые данные, полученные в астрофизике и космологии, не могли пройти мимо специалистов по физике элементарных частиц. Во-первых, в последнее время выяснилось, что обычная барионная материя составляет около 4% всей энергии Вселенной. 23% приходится на темную материю (обнаружена по отклонению скоростей звезд в галактиках от предсказаний ньютоновской механики), и 73% на темную энергию (проявляется в ускоренном расширении Вселенной в настоящее время).

В стандартной модели, в отличие от ее суперсимметричного расширения, нет кандидата на роль частицы темной материи. Природа же темной энергии вообще неясна. Больше всего темная энергия «похожа» на собственную энергию вакуума, однако оценки в рамках имеющихся теорий расходятся с экспериментом на многие десятки или даже на сотни порядков. Проблема темной энегрии — настоящий вызов физикам XXI века.

Есть другие модели, претендующие на роль единых теорий. Например, теория суперструн предлагает свой способ построения квантовой гравитации. Однако в настоящее время не существует экспериментов или наблюдений, которые смогли бы доказать или опровергнуть такие модели.

 

Фундаментальными частицами стандартной модели являются кварки и лептоны, объединенные в поколения по два кварка и два лептона. В первом поколении находятся верхний и нижний кварк, а также электрон и электронное нейтрино. Во втором поколении — странный и очарованный кварк и мюон с мюонным нейтрино (выяснилось, что каждому лептону соответствует свое нейтрино). Тау-лептон (от греческой буквы τ) входит в третье поколение. Эта частица была открыта на электрон-позитронном коллайдере SLAC в 1975 году, за что Мартин Перл получил Нобелевскую премию 1995 года. Еще в третьем поколении тау-нейтрино, а также прелестный и истинный кварки.

Кварки и лептоны — частицы материи. Помимо них в стандартной модели есть переносчики взаимодействий: фотон (электромагнитное взаимодействие), W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие), восьмерка глюонов (сильные взаимодействия).

Свойства частиц повторяются из поколения в поколение. Единственное исключение — масса: частицы старших поколений тяжелее. Например, мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в остальном их свойства совпадают.

Практически всё вещество во Вселенной состоит из частиц первого поколения. Так, протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков, в атомы входят электроны.

Без ответов остается много вопросов. Почему частицы группируются в поколения? Зачем природе потребовалось именно три поколения? Или, быть может, существует еще одно поколение очень тяжелых частиц, недоступных (пока?) наблюдениям?

В конце 1960-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное. Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира.  Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц, для этого был создан БАК.   Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий.

Глава 2. Большой адронный колайдер

 

2.1. Строительство БАК.

Большой адронный коллайдер (БАК) – это последний, самый мощный в мире ускоритель частиц, построенный под землей на границе Франции и Швейцарии, недалеко от Женевы, управляемый Европейским центром ядерных исследований (ЦЕРН). Это самое дорогостоящее экспериментальное устройство на планете, стоимостью более 10 млрд. долларов.  Он  предназначен для ускорения протонов и тяжёлых ионов почти до скорости света в противоположных направлениях и затем сталкивания их во встречных пучках с энергией в миллионы раз большей, чем получают частицы при взрывах водородных бомб, с частотой столкновений частиц в коллайдере сотнями миллиардов раз в секунду. 
   Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

Руководитель проекта — Линдон Эванс.

·                   19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов.

·                   27 ноября 2006 года в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит.

Принцип работы БАК

 

Коллайдер представляет из себя огромный комплекс, самой большой частью которого является кольцевой тоннель, проходящий на глубине ста метров под землей, длиной окружности более 27 км.

В этом тоннеле проложены две трубы, в которых, собственно и будут циркулировать пучки из триллионов протонов. Протоны в трубах разгоняются почти до скорости света огромными магнитами, работающими при температуре лишь на два градуса выше абсолютного ноля. Направления движения протонов в трубах противоположные.

В четырех местах эти трубы пересекаются - собственно здесь и будут происходить столкновения частиц. Учитывая громадную скорость, энергия, выделяемая при столкновении, огромна. Достаточно сказать, что суммарная масса запускаемых в коллайдере частиц меньше массы пылинки, однако энергия столкновения сопоставима с взрывом 100 кг тротила.

      И именно результат и процессы, происходящие в момент столкновений частиц, и интересуют физиков в первую очередь.

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 27-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света. Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

Большой адронный коллайдер дает возможность изучить происхождение Вселенной, возраст вселенной и время жизни нашей Вселенной.

 

2.2. Испытания и эксплуатация

2008 год:

·        11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя и системы правой доставки луча. Эта система передаёт в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы.

·        24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.

·        10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера «по» и «против» часовой стрелки.

·        12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.

·        19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошла авария, в результате которого БАК вышел из строя. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Ремонт коллайдера занял остаток 2008 и бо́льшую часть 2009 года.

·        21 октября состоялась торжественная церемония открытия (инаугурация) БАК.

2009 год:

·        6 августа появилось официальное сообщение, в котором говорится, что коллайдер заработает на энергии в 3,5 ТэВ на протон. Таким образом, полная энергия протон-протонных столкновений поначалу составит 7 ТэВ, что ниже не только проектной энергии 14 ТэВ, но и обсуждавшейся в последнее время первоначальной энергии 10 ТэВ.

·        16 октября завершено охлаждение всех восьми секторов коллайдера, их температура установилась на отметке 1,9 К.

·        23-25 октября впервые с момента аварии были проведены испытания БАК. Пучки протонов и ионов свинца были запущены в ускорительное кольцо, по которому прошли несколько километров. 

·        17 ноября - последние тесты сверхпроводящих магнитов, системы безопасности и всей инфраструктуры. 98 % всех сильноточных электрических цепей уже прошли испытания для работы на энергии протонов 1,2 ТэВ 

·        20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу коллайдера.

·        23 ноября Европейский центр ядерных исследований объявил о том, что впервые на БАК было проведено столкновение пучков протонов, двигающихся со скоростями, близкими к скорости света, с суммарными энергиями порядка 900 ГэВ.

·        29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире.

·        9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 × 1180 ГэВ).

2010 год:

·        30 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ, состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.

·        4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений. Коллайдер переведен в режим столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца). Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня.

·        7 ноября начались и продолжались один месяц столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ.

2011 год:

·        22 апреля на БАК установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67·1032 см−2·сек−1. Предыдущий рекорд был установлен ускорителем Тэватрон в 2010 году, тогда светимость составила 4,02·1032см−2·сек−1.

·        15 ноября начата трёхнедельная программа столкновений ионов свинца.

2012 год:

·        16 марта протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ.

·        В сентябре были проведены пробные протон-ионные столкновения.

·        17 декабря успешно завершён первый этап протонных столкновений.

2013 год:

·        В начале 2013 года были проведены серии протон-ионных столкновений.

·       14 февраля 2013 года коллайдер был остановлен для модернизации до конца

      2014 года.

Глава 3. Научные исследования и факты

3.1. Расширение Вселенной

 

  Всего лишь сто лет назад, ученые обнаружили, что наше мироздание стремительно увеличивается в размерах. В 1870 году английский математик Уильям Клиффорд пришел к очень глубокой мысли, что пространство может быть искривлено, причем неодинаково в разных точках, и что со временем его кривизна может изменяться. Он даже допускал, что такие изменения как-то связаны с движением материи.  Первые сведения о расширении Вселенной предоставила астроспектрография в 1886 году.   Эдвин Хаббл получил закон, который позволяет рассчитать скорость расширения вселенной.

u=H∙D

Это скорость возрастания дистанций между галактиками и галактическими скоплениями, которое обусловлено расширением Вселенной, Если принять, что пространство Вселенной расширяется, приводя к увеличению расстояния между галактиками, переносимыми космическими потоками, можно мысленно обратить развитие Вселенной вспять по времени, чтобы исследовать ее происхождение. При таком обращении пространство Вселенной сокращается, и галактики становятся все ближе и ближе друг к другу. По мере того, как сокращающаяся Вселенная сжимает галактики, в ней, как в автоклаве, происходит резкое увеличение температуры, звезды разрушаются, и образуется раскаленная плазма из элементарных составляющих вещества. Дальнейшее сжатие сопровождается непрекращающимся ростом температуры, а также плотности первичной плазмы. Это сжатие,  а так же Большой Взрыв может привести к образованию черных дыр.

3.2 Возникновение «черных дыр»

 

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

  • Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции.
  • Коллапс центральной части галактики или протогалактического газа.
  • Формирование чёрных дыр в момент сразу после Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.
  • Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.                                                                        

Черные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Они представляют собой участки пространства с настолько большой гравитацией, что даже свет не может покинуть их пределы. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Достаточно сжать тело до размеров гравитационного радиуса, а дальше оно само будет неудержимо сжиматься. Так возникает объект, который впоследствии получил название черной дыры. Также они возникают после смерти больших звезд. С запуском Большого адронного коллайдера теоретическая возможность образования черных дыр в ходе столкновений частиц привлекла широкий общественный интерес. Предполагается, что частицы, образующиеся в БАК, несут энергию, которая может привести к Большому взрыву, а это может привести к образованию черных дыр.

Одним из самых страшных последствий работы коллайдера большинство однозначно признало образование микроскопических черных дыр.

3.3 Отрицательные последствия запуска БАК

 

         Некоторые ученые выдвигают теории о том, что запуск большого адронного коллайдера может привести к катастрофе на нашей планете, иными словами к концу света. По их мнению, в коллайдере  может возникнуть черная дыра, способная поглотить нашу планету. Эти заявления получили широкое распространение в средствах массовой информации и интернете, в результате чего возникли оживленные дискуссии вокруг запуска БАК. Многие люди опасаются запуска и говорят о том, что ученые и исследователи не имеют морального права подвергать опасности все человечество, пусть даже эта опасность и является минимальной.

        Противники БАК требуют остановить его не только из-за черных дыр. Еще один пугающий продукт столкновения элементарных частиц в ускорителе – это антиматерия. Частицы антиматерии являются двойниками "нормальных" частиц, с той разницей, что они несут противоположный заряд. То есть, антиэлектрон, например, заряжен положительно, а антипротон – отрицательно. Нейтральные частицы и античастицы отличить друг от друга очень сложно. Но существует один проверенный способ. Частицы вещества и антивещества при контакте друг с другом аннигилируют – взаимоуничтожаются. При этом выделяется немалое (в строгом соответствии с формулой Эйнштейна E=mc2) количество энергии. Это свойство антиматерии давно пугает человечество.

       Кроме антиматерии жителям Земли внушает страх еще одна материя – страпельки. Это гипотетические объекты, состоящие из странной материи - условно говоря, свободных кварков (верхних, нижних и странных), не объединенных в адроны. По одной из гипотез, попадание отрицательно заряженной страпельки на Землю может привести к тому, что вся планета превратится в странную материю: сталкиваясь с ядром какого-нибудь атома, страпелька вызывает его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии и разлетанием во все стороны страпелек - получается цепная реакция.

      Категорически против запуска БАК высказались 14 процентов жителей России. Они аргументировали свою позицию тем, что не стоит подвергать землян опасности ради сомнительных научных достижений. По мнению противников запуска, вложенные в проект БАК огромные деньги лучше было бы потратить на что-нибудь более полезное. Например, на строительство больниц или на борьбу с голодом в Африке. Такого же мнения придерживаются жители других стран, протестующих против опасного эксперимента.

Положительные последствия создания БАК

 

Организаторы эксперимента напротив, заявляют о том, что никакой опасности БАК  не представляет. По их мнению, черные дыры при столкновении частиц на высоких скоростях возникать будут, и должны возникать согласно их расчетам, однако эти черные дыры будут иметь микроскопические размеры, и время их жизни не будет превышать 10-17 секунд. То есть черные дыры возникать будут, но практически сразу они будут распадаться, не успев ничего поглотить, при этом оставляя уникальный след, имеющий огромную научную ценность.

       Поэтому, можно выделить множество положительных черт запуска большого адронного коллайдера. Например, благодаря БАК ученые могут найти ответы на главные загадки строения материи и энергии во  Вселенной. Удалось экспериментально доказать существования бозона Хиггса. Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса фактически создает всю массу во Вселенной. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960 году британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs), однако до сооружения БАК ее не удавалось обнаружить экспериментально. При столкновении двух заряженных частиц на БАК они аннигилируются, и выделяется энергия достаточная для "рождения" искомой частицы - бозона Хиггса.  Трудности, стоящие на пути открытия "хиггса" были столь велики, а его предполагаемая роль столь важна, что частица получила ироническое прозвище "частица бога", хотя многих физиков от этого "псевдонима", пущенного для эффектности СМИ, просто коробит. При помощи БАК физики надеются лучше понять, что представляла собой Вселенная впервые мгновения после Большого Взрыва.

Также ожидается, что с помощью коллайдера  будут обнаружены отклонения от стандартной модели, потому что, несмотря на ее огромные успехи, в ней есть ряд моментов, неудовлетворительных с точки зрения теории и мешающих ей быть окончательной теорией, описывающей наш мир.

Гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена общепризнанная непротиворечивая квантовая теория. При низких энергиях, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория.

В последние десятилетия разработаны три перспективных подхода к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция. Например, петлевая квантовая гравитация может описать процесс взрыва, и даже заглянуть раньше, т.е преодолеть временное пространство. Теория струн позволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других объектов — бран.  В 1996 г. струнные теоретики использовали теорию струн для конструирования определённого класса чёрных дыр, так называемых экстремально заряженных дыр.

Возможно, БАК поможет доказать или опровергнуть теорию о том, что кроме привычных нам четырех измерений (пространства и времени) существуют и другие измерения, которые постулируются в "теории струн", описывающей явления, которые выходят за рамки Стандартной модели и ее более простых расширений.

Чем же полезен БАК для обычных людей? Научные открытия, связанные с открытием бозона Хиггса и изучением кварков, в перспективе могут привести к новой научно-технической революции.                                                                                                                      Во-первых, так как масса – это энергия в состоянии покоя (грубо говоря), есть возможность в будущем преобразовывать материю в энергию, а значит, появится возможность путешествовать к далёким планетам. А это шаг к межзвёздным путешествиям.                                                                                        

Во-вторых, изучение квантовой гравитации позволит, в будущем, управлять гравитацией. Однако это случится ещё не скоро, так как гравитоны пока ещё не очень хорошо изучены, а потому устройство, контролирующее гравитацию, может быть непредсказуемым.          

В-третьих, есть возможность подробнее понять М-теорию - это  теория квантовой гравитации, претендующая на звание единой, всеобъемлющей и окончательной теории физического строения Вселенной. М - первая буква от слов "мета", "матрица", "мембрана". Сами ученые расшифровывают "М" также как "мистика", "магия", "мистерия" и "мать" (в смысле "мать всех теорий"). (производная от теории струн). Данная теория утверждает, что мироздание состоит из 11 измерений. М-теория претендует на звание «теории всего», а значит, её изучение позволит нам гораздо лучше понять строение Вселенной. Кто знает, быть может, в будущем человек научится перемещаться и воздействовать на другие измерения.

      Магнитный монополь - еще один гипотетический объект, который можно описать примерно как полюс магнита, существующий отдельно от другого полюса магнита. Ни одного монополя пока не обнаружено - как ни дели любой магнит на части, он все равно имеет два полюса и остается диполем. Тем не менее, его существование теория не исключает, а одна из гипотез предполагает, что присутствие магнитных монополей может ускорить распад протона - тоже теоретическое и никогда не наблюдавшееся явление (протон предположительно имеет период полураспада порядка 1036 лет, что гораздо больше возраста Вселенной).

Глава 4. Заключение

 

Организаторы эксперимента напротив, заявляют о том, что никакой опасности БАК  не представляет. Процессы, которые будут происходить в большом адронном  колайдере, происходят и в естественной природе. Например, в нашей атмосфере ежедневно происходит множество столкновений заряженных частиц, которые прилетают к нам из космоса и имеют огромные энергии сопоставимые с теми, что будут иметь частицы в коллайдере. Однако, это не приводит к катастрофическим последствиям – это естественное природное явление, огромных черных дыр при этом не возникает.

Целью нашей работы было выяснить опасен ли запуск большого адронного коллайдера. Решив поставленные нами задачи, мы пришли к выводу, что запуск БАК не оказывает отрицательного воздействии на окружающую среду и человека. От сюда можно сделать вывод, что наша гипотеза подтвердилась.

14 февраля 2013 года коллайдер был остановлен для модернизации до конца 2014 года. В настоящее время идут технические работы. Планируется увеличить энергию столкновения протонов с нынешних 8 ТэВ до 13-14 ТэВ и установить дополнительное оборудование на детекторах. В 2015 году эксперименты будут продолжены. Мы ждем новых открытий!

Список литературы

1.     http://elementy.ru/news/432151  Новости. Распад бозона Хиггса на частицы материи

2. http://www.bestreferat.ru/referat-233133.html Реферат: Адронный коллайдер за и против

3.     http://lenta.ru/lib/14196177/ Большой адронный коллайдер. Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках

  1. http://galspace.spb.ru/indvop.file/70.html Научные статьи. Расширение Вселенной
  2. http://interest-planet.ru/blog/371.html  Сайт Интересная планета. Большой адронный коллайдер
  3. http://lenta.ru/news/2013/03/12/homemadehole Наука и техника. Физики показали процесс появления черных дыр в коллайдере
  4. http://lenta.ru/articles/2008/09/12/uzhas/  Наука и техника. Я боюсь
  5. http://kozaostra.mybb.ru/viewtopic.php?id=505 Форум В шутку и всерьез.Большой адронный коллайдер
  6. http://kollaideru.net/  Наша планета в опасности. О новой теории возникновения вселенной и опасности коллайдерных экспериментов.
  7. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%EE%E7%EE%ED_%D5%E8%E3%E3%F1%E0 Википедия.  Бозон Хиггса
  8. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D7%B8%F0%ED%E0%FF_%E4%FB%F0%E0  Википедия. Черные дыра
  9. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%EE%EB%FC%F8%EE%E9_%E0%E4%F0%EE%ED%ED%FB%E9_%EA%EE%EB%EB%E0%E9%E4%E5%F0  Википедия. Большой адронный коллайдер.

 

 


»  Тэги к этому документу:

Поиск

Loading

Оценка материала

...