Творческая работа по физике "Большой андронный коллайдер" (9 класс)

МОБУ «Потанинская основная общеобразовательная школа»

БОЛЬШОЙ  АДРОННЫЙ  КОЛЛАЙДЕР 

Творческая работа по физике

обучающихся 9 класса

Учитель: Ефремова

Галина Викторовна

2020 год

Большо́й адро́нный колла́йдер (БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран.

«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; «адронным» — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Цель создания. В конце 1990-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах Общей теории относительности (ОТО). Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации. СМ не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели».

Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий.

Также с помощью БАК планируется изучение:

·              Топ-кварков — самых тяжёлых кварков, самых тяжёлых из открытых пока элементарных частиц. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса – элементарной частицы, кванта поля Хиггса, с необходимостью возникающей в Стандартной модели физики элементарных частиц.

·              Механизма электрослабой симметрии – явления в теории электрослабого взаимодействия, заключающееся в том, что калибровочные W-бозрны и Z-бозоны, отвечающие за слабое взаимодействие, становятся массивными, в то время как фотон остаётся безмассовым.

Эксперимент ALICE ЦЕРНа участвует в исследовании кварк-глюонной плазмы

·              Кварк-глюонной плазмы –  агрегатного состояния вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме. ·              Суперсимметрии  — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».

·              Фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений. Фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

·              Экзотических теорий. Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны (фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие всильном взаимодействии) сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Накопленных экспериментальных данных всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. Экспериментаторы планируют с помощью БАК  проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений.

·              Других направлений. Предлагается осуществлять поиск параллельных вселенных. По мнению учёных для этих целей необходимо создание в БАК мини-чёрных дыр. Ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W-бозонов и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков.

Технические характеристики. В ускорителе сталкиваются протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10¹² электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·10⁹ электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние. Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Детектор БАК

Ускорение частиц в БАК. Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в бустер и далее в протонный синхротрон, приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в протонном суперсинхротроне,

где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-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. 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.

Энергия и безопасность. Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек (гипотетических объектов, состоящих из «странной материи», образованной либо адронами, содержащими «странные» кварки, либо не разделённым на отдельные адроны кварковым веществом с примерно одинаковым содержанием странных, верхних и нижних кварков. Странная материя рассматривается в космологии как кандидат на роль «тёмной материи»), гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.

Строительство, испытания и эксплуатация. 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 — британский ученый Линдон Эванс.

2006 год
19.11.2006	закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов
27.11.2006	в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит
2008 год
11.08.2008	успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец
10.092008	был произведён официальный запуск коллайдера. Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки
12.09.2008	удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы
19.09.2008	в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошла авария, в результате которого БАК вышел из строя
21.10.2008	состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК
2009 год
20.11.2009	впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу коллайдера
30.11.2009	учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире
09.12.2009	состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (2 × 1180 ГэВ)
2010 год
30.03.2010	энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ, состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК
04.11.2010	закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений. Коллайдер переведен в режим столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца)
07.11.2010	начались и продолжались один месяц столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ
2011 год
22.04.2011	на БАК установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67·1032 см−2·сек−1
17.06.2011	светимость, набранная за 2010—2011 годы, превысила 1 фбн−1
15.11.2011	начата трёхнедельная программа столкновений ионов свинца
2012 год
16.03.2012	протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ
30.09.2012	были проведены пробные протон-ионные столкновения
17.12.2012	успешно завершён первый этап протонных столкновений
2013 год
31.01.2013	были проведены серии протон-ионных столкновений
14.02.2013	коллайдер был остановлен для модернизации до конца 2014 года
2015 год
05.04.2015	ЦЕРН запустила Большой адронный коллайдер после двухлетнего перерыва
11.04.2015	протоны разогнаны до 6,5 ТэВ
21.05.2015	было произведено столкновение встречных пучков протонов с энергией 6,5 ТэВ
03.06.2015	начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ
14.07.2015	самый маленький из четырёх основных детекторов на коллайдере заявил об открытии класса частиц, известного как пентакварки (группа составных субатомных частиц, состоящих из пяти кварков)
2016 год
25.03.2016	после остановки на зиму протонные пучки запущены в коллайдер
30.04.2016	БАК был временно приостановлен, из-за того, что куница перегрызла провода трансформатора с напряжением 60.000 вольт. Сам зверёк погиб

Научные результаты. Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере^[55]:

·                     открыт Бозон Хиггса, его масса определена как 125,09 ± 0,21 ГэВ;

·                     при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;

·                     показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;

·                     обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;

·                     получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;

·                     получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;

·                     исследованы события рождения адронных струй;

·                     подтверждено существование топ-кварка;

·                     обнаружено два новых канала распада B_s-мезонов, получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и B_s-мезонов на мюон-антимюонные пары;

·                     открыты новые, теоретически предсказанные частицы;

·                     получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии, обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях;

·                     объявлено о наблюдении частицы Y(4140).

Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты:

·                     лёгкие чёрные дыры;

·                     возбуждённые кварки;

·                     суперсимметричные частицы;

·                     лептокварки;

·                     неизвестные ранее взаимодействия и их частицы-переносчики (например, W'- и Z'-бозоны).

Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жестче.

Финансирование проекта. В 2001 году ожидалось, что общая стоимость проекта составит около 3 млрд евро за сам ускоритель (без детекторов) и 700 млн евро составит доля ЦЕРН в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов).

Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 1,6 млрд евро и дополнительными 140 млн евро на эксперименты (то есть детекторы, сбор и обработку данных). В 2001 году эти расходы были увеличены на 300 млн евро в части ускорителя и 30 млн евро в части экспериментов (расходы, относящиеся непосредственно к ЦЕРН), что вследствие сокращения бюджета ЦЕРН привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года.

Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долл. для строительства установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН. В проекте было задействовано примерно 700 специалистов из России, которые участвовали в разработке детекторов БАК. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам достигала 120 млн долл.

Официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших в ЦЕРН инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование БАК смонтировано в тоннеле ранее существовавшего коллайдера, при этом использовалось многокилометровое кольцо в качестве предварительного ускорителя. Если бы БАК пришлось строить с нуля, его стоимость оказалась бы заметно выше.

Интересные факты.

·                     В книге фантаста Макса Острогина «Большая Красная Кнопка» рассказывается о наступлении апокалипсиса после включения на полную мощность Коллайдера

·                     В книге Дена Брауна «Ангелы и демоны» антивещество из Большого адронного коллайдера было украдено, и похитители хотели взорвать с помощью него Ватикан.

·                     В книге Джо Холдемана «Бесконечный мир» описывается в том числе процесс создания гигантского ускорителя, запуск которого должен привести к большому взрыву, который породит новую вселенную, уничтожив при этом существующую.

·                     В фильме «Конец света» (производство Би-би-си) последним из четырёх наиболее вероятных сценариев апокалипсиса являлся взрыв при запуске новейшего ускорителя элементарных частиц, повлёкший за собой образование чёрной дыры.

·                     В российском сериале «Корабль» из-за взрыва БАКа все континенты ушли под воду.

·                     В телесериале «Теория большого взрыва» главные герои-физики часто упоминают БАК как место, где они очень хотели бы побывать.

Краткое описание документа:

Творческая работа по физике "Большой андронный коллайдер" выполнена обучающимися 9 класса, представляет информацию в разделе "Это любопытно" и содержит интересные факты по теме сообщения. Работа может быть использована учителем и обучающимися на уроках физики в 9 классе или он-лайн конференции при дистанционном обучении.