Большой адронный коллайдер

Пнд, 10/07/2013 - 21:13

Что хотят узнать физики при помощи Большого адронного коллайдера? (Зачем он нужен?)

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 (его носителями являются частицы-глюоны), слабое (переносится векторными или калибровочными бозонами) и электромагнитное (его носителями являются частицы-фотоны). Однако четвертое — гравитационное (его носителями являются гравитоны) взаимодействие, по-прежнему описывается 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 — проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

В чем же суть Стандартной модели, которую пытаются проверить физики? Согласно Стандартной модели, все элементарные частицы относятся либо к классу лептонов (классу частиц-переносчиков взаимодействия), либо к классу адронов построенных из кварков. Как уже упоминалось в рамках Стандартной модели, сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия удалось описать как разные проявления единой силы. Считается, что все силы, действующие во Вселенной (сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные) при высоких энергиях сливаются воедино и проявляют себя как одна сила. Первыми объединяются слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия, такое объединение двух сил можно наблюдать даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц. Сила, образованная таким объединением слабого и электромагнитного взаимодействия, проявляется как сила электрослабого взаимодействия. Первые 10-10 секунды после Большого взрыва не было грани между слабым ядерным и электромагнитными силами. Вследствие расширения Вселенной с момента Большого взрыва ее температура стала понижаться. Лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 1014 К, все четыре наблюдаемых сегодня силовых взаимодействия разделились и стали проявлять себя как самостоятельные. Пока температура была выше 1014 К, действовали только 3 силы: сильное, электрослабое и гравитационная.

Электрослабое взаимодействие начинает объединяться с сильным взаимодействием при температурах порядка 1027 К. В лабораторных условиях такие энергии недостижимы. Даже БАК сможет разогнать частицы до энергий, которые составляют всего 10-8% от энергии, которая необходима для объединения электрослабого и сильного ядерного взаимодействия. Но в первые 10-35 секунд с момента Большого взрыва температура Вселенной была выше 1027 К, и во Вселенной действовало всего две силы — электросильного и гравитационного взаимодействия. Теории, описывающие эти процессы, называют «теорией Великого объединения», или «теорией Большого объединения». Напрямую проверить справедливость этой теории нельзя, но можно проверить прогнозы, которые она дает для процессов, протекающих на более низких энергиях (т.е. в областях экспериментально достижимых энергий). На сегодняшний день все предсказания «теорий Великого объединения» для относительно низких энергий подтверждены экспериментально.
Таким образом, Стандартная модель представляет собой теорию строения Вселенной, но она не полна, т.к. не включает в себя гравитацию. На уровне «теории Большого объединения» возможности человечества в плане проверки универсальных теорий исчерпываются.

Далее начинается «теория Суперобъединения». Непротиворечивая «теория Суперобъединения» позволила бы объединить гравитацию с сильно-электрослабым взаимодействием.

Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий.

Мощность Большого адронного коллайдера позволяет физикам рассчитывать по крайней мере на то, что они смогут найти убедительные подтверждения верности Стандартной модели. В частности, они рассчитывают обнаружить Бозон Хиггса, выявить неэлементарность кварков. 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 кварк-глюонная 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. По прошествии одной сотой доли микросекунды после Большого взрыва кварки объединились по три и образовали протоны и нейтроны. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки. Но, возможно, Большой адронный коллайдер справится с этой задачей. В любом случае, запуск БАКа может кардинально перевернуть наши представления о пространстве и времени. Таким образом, сегодня мы находимся на пороге революции наших представлений о природе.

Все страхи БАКа

Однако, как и всякое революционное явление, запуск БАКа порождает не только надежды на новые знания, но и многочисленные страхи. Некоторые специалисты и представители общественности высказывают опасения, что имеется отличная от нуля вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая теоретически при определенных условиях может уничтожить всю планету.

В этой связи наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических черных дыр, а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных аномалий с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Космические черные дыры возникают во Вселенной из звезд, которые, исчерпав свой термоядерный ресурс, испытывают мощное гравитационное сжатие (коллапс), что приводит к уменьшению их размеров и колоссальному уплотнению их материи. Для внешнего наблюдателя такой объект представляет собой черное пятно (дыру) в пространстве-времени, которое втягивает в себя все окружающие объекты за счет мощного гравитационного поля. С точки зрения классической теории гравитации Эйнштейна, масса черной дыры стремится к бесконечности, а ее размеры стремятся к точке. Неясным остается вопрос о том, что происходит с материей в самой черной дыре. В рамках классической теории гравитации и квантовой теории этот вопрос остается открытым.

Понятно, что в возникновении такого мрачного объекта на Земле приятного мало. Но, даже если в ходе эксперимента на БАК черная дыра возникнет, она должна мгновенно исчезнуть за счет квантовых эффектов. Одна из немногих успешных попыток разобраться в явлениях на стыке квантовой механики и гравитации, предпринятая знаменитым британским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом, привела к появлению понятия «испарения» черных дыр. Виртуальные пары частиц и античастиц, в соответствии с квантовой механикой непрерывно возникающие в пространстве и через очень короткое время исчезающие в никуда, иногда должны образовываться и на границе черной дыры. В этом случае частицы пары не могут аннигилировать друг с другом, и для внешнего наблюдателя в окрестностях дыры из ничего «рождается» что-то; на это расходуется энергия, и как показывают расчеты, тем больше, чем меньше черная дыра.

Самая большая черная дыра, которая может родиться в БАК, будет иметь энергию не больше, чем суммарная энергия двух сталкивающихся ядер или протонов. Такой объект в соответствии с теорией Хокинга живет умопомрачительно короткое время — меньше 10-80 сек, за которое он не то что проглотить какую-то иную частицу — сдвинуться с места не успеет.

К тому же нужно вспомнить, что Землю и другие небесные тела постоянно бомбардируют космические лучи, в том числе и с энергиями, на несколько порядков превышающими энергию протонов, разгоняемых в БАК. И ничего, Вселенная живет себе уже 14 миллиардов лет, а жизнь на Земле существует 3-4 миллиарда лет. Так что можно смело делать предсказание, что человечество переживет пуск БАКа на проектную мощность.

Попытки запуска БАК

Однако запустить Большой адронный коллайдер оказалось не так-то уж и просто.
Первая часть предварительных испытаний БАК была успешно завершена 11 августа 2008 года. В их ходе пучок заряженных частиц прошел чуть более трех километров по одному из колец БАК. Таким образом, ученым удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча.

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

Официальный запуск коллайдера был произведен 10 сентября. В 12:30 запущенный пучок протонов низкой интенсивности (с начальной энергией 450 Гигаэлектрон-вольт — энергией предварительной «ступени», протонного суперсинхротрона SPS) успешно прошел весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:00 запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошел весь периметр коллайдера. Этот тест на минимальной мощности, примерно в 15 раз меньшей «штатной» энергии пучка в 7 тераэлектрон-вольт, и без столкновений протонов проводился для окончательной проверки работоспособности систем коллайдера.

12 сентября, примерно в 00:30, удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы. Однако из-за проблем с трансформатором вскоре был отключен главный компрессор криогенной системы, охлаждавшей два из восьми секторов 27-километрового кольца ускорителя. Температура двух секторов поднялась до 4,5 градусов Кельвина. Трансформатор, весивший 30 тонн, был заменен 13-14 сентября. Затем начался процесс охлаждения нагревшихся магнитов. 18 сентября появились сообщения, что БАК был остановлен из-за проблем с электричеством. Затем ученые сообщили, что проблемы решены, и ускоритель вновь начал нормально работать.

19 сентября, в 14:05, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 произошел инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтвержденным и детализированным позднее, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения. Это в свою очередь привело к выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры магнита (до 1700 С).

Первоначально в ЦЕРН сообщили: ремонт коллайдера продлится считанные недели. Однако вскоре выяснилось, что полное выяснение причин произошедшего и гарантирование от подобных проблем займет значительно больше времени. 23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года. А по последней информации, запуск перенесен на сентябрь 2009 года. Кстати, по приглашению руководства ЦЕРНа в церемонии перезапуска БАК может принять участие и знаменитый американский актер Том Хэнкс, посетивший ЦЕРН и ознакомившийся с устройством Большого адронного коллайдера в рамках промо-акции нового фильма «Ангелы и Демоны», снятого по одноименному роману Дэна Брауна (в этом романе, вышедшем в свет в 2000 году, группа злоумышленников похищает из ЦЕРНа некоторое количество антивещества и намеревается с его помощью взорвать Ватикан).

В заключение необходимо отметить, что хотя Большой адронный коллайдер до сих пор еще не запущен, но практическая польза от него есть уже сейчас. И сам ускоритель, и его детекторы — это вершина технической мысли. Поэтому их проектирование и изготовление уже дало толчок развитию высоких технологий в самых разных областях человеческой деятельности, начиная от сверхпроводящих материалов и до сверхскоростной электроники.

Другие материалы рубрики


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3