IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Мой проект посвящён одному из самых великих сооружений человечества, самому крупному и мощному ускорителю частиц – большому адронному коллайдеру.
Проблема заключается в том, что многие даже не знают, как правильно написать фразу «большой адронный коллайдер», чего уж говорить об их знании его предназначения. А некоторые не просвещённые люди уверены в том, что большой адронный коллайдер уничтожит Землю.
Актуальность: человечество даже с учетом всех имеющихся на данный момент изобретений еще далеко от понимания полной картины окружающего мира, пространства, времени, материи и энергии. В мире есть ещё множество загадочного и необъяснимого. Большинство не представляют значимости такого проекта как БАК. 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?
Цель проекта: познакомить людей с устройством и принципом работы большого адронного коллайдер. Выяснить опасен ли он для человечества.
Задачи:
1.Изучить литературу по истории физики элементарных частиц
2.Узнать устройство и принцип работы БАК.
3.Выяснить цель создания БАК.
4.Выяснить к какому прогрессу нас сможет привести БАК.
5.Узнать в чем опасность его использования.
Гипотеза: большой адронный коллайдер не несет угрозы для человечества.
Объект исследования: экспериментальная установка, квантовая физика.
Методы исследования: теоретический, метод изучения информации с помощью Интернета.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР.
Ускорители заряженных частиц. Данные устройства нашли широкое применение в различных областях науки и промышленности. На сегодняшний день во всем мире их насчитывается более 30 тысяч. Для физика ускорители заряженных частиц служат инструментом фундаментальных исследований структуры атомов, характера ядерных сил, а также свойств ядер, которые в природе не встречаются. Однако для проведения более сложных опытов нужны ускорители, способные разогнать частицы до высоких энергий, имеющие большую мощность. Одним из таких является большой адронный коллайдер.
Большой адронный коллайдер, сокращённо 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, а также самым сложным устройством, когда-либо созданным человеком. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран (в том числе и из России).
«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 (см. примечание); «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения
Идея создания коллайдера появилась ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. В 1994 проект одобрили. А строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения подземные коммуникации прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера. Основное кольцо ускорителя находится на глубине около ста метров под землей. В 2001 году планировалось потратить на проект 3 млрд. евро и 700 млн. евро для проведения экспериментов. Сегодня на проект потрачено 10 млрд. евро. Столько же стоит построить космическую станцию.
Как работает:
В основе работы БАК, как и всех ускорителей, заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.
Скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ (Электронвольт [эВ] внесистемная единица измерения энергии, широко используемая в атомной и квантовой физике. — энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт.). После этого ускорение частиц продолжается в протонном суперсинхротроне, где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо.
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. Кроме того, специальные фокусирующие магниты не дают протонам во время движения колебаться в продольном направлении и задевать стенки вакуумной трубы, в которой осуществляется движение.
Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Магниты используются двух видов — квадропульные (392 шт.) и дипольные (1232 шт.). Именно дипольные магниты удерживают частицы, тогда как квадропульные магниты нужны для того, что бы максимально повысить шансы на взаимодействие частиц, которые может произойти в местах пересечения труб. Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для проведения в рабочее состояние их необходимо охлаждать 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). 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. В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов.
Столкновение двух частиц «лицом к лицу» — событие довольно редкое. 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.
При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» — элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. По трубам ускоряют не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.
Для регистрации частиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы — детекторы. Их шесть. По сути это гигантские цифровые фотокамеры с разрешением в 150 мегапикселей, способные делать 600 миллионов кадров в секунду.
Количество информации, получаемой этими детекторами беспрецедентно велико, к тому же ее требуется передавать во все страны, где работают участники экспериментов. Поэтому в ЦЕРНе создается новая система для быстрого распространения огромных массивов данных — GRID. Эта система должна будет хранить и обсчитывать данные, получаемые с детекторов ускорителя. Поток данных с детекторов выдает около 300 ГБ / с, затем отфильтровываются «интересные события», в результате чего «сырые данные» составляют поток около 300 МБ / с.
Цели создания.
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, слабое и электромагнитное. Однако четвертое — гравитационное взаимодействие, по-прежнему описываются 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 — проблемы в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.
Стандартная модель представляет собой теорию строения Вселенной, но она не полна, т.к. не включает в себя гравитацию. 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 списать. Эта заветная цель современной физики пока ещё 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 столкновениях пучков тяжелых ядер физики надеются создать и условия Большого взрыва — отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кваркглюонная 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 наше представления о пространстве и времени.
Чего удалось достичь ?
4 июля 2012 года, после трех лет экспериментов на Большом адронном коллайдере физики ЦЕРНа объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса". Эта частица не имеет электрического заряда и нестабильна. На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.
8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за "теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц".
В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса. Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".
14 июля 2015 года стало известно, что специалисты Европейского центра ядерных исследований после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком. Изучение свойств пентакварков позволит лучше понять, как устроена обычная материя. Возможность существования пентакварков предсказали сотрудники Петербургского института ядерной физики имени Константинова Дмитрий Дьяконов, Максим Поляков и Виктор Петров.
Чего мы сможем достичь в будущем ?
Помимо того, что мы, возможно, сможем понять Вселенную, большой адронный коллайдер может привести человечество к большому прогрессу, а именно:
1.МЕЖЗВЕЗДНЫЕ ПЕРЕЛЕТЫ.
Физики теоретически хотят доказать что энергия и материя имеют единую природу и, что существует возможность перехода из состояния энергии в материю и обратно. Преобразование энергии в материю (аннигиляция),в будущем позволит создать фотонные двигатели, которые, в свою очередь, позволят нам быстро путешествовать к другим звездам
2.ПРОСТОЙ ВЫХОД В КОСМОС.
Благодаря опытам, нам станет доступно управление гравитацией, в частности антигравитация. В случае успеха, перед человечеством откроются революционные возможности, начиная фантастическими ховербордами и летающими машинами, и заканчивая доступностью путешествий в космос.
3.МАШИНА ВРЕМЕНИ.
Профессор, доктор физико-математических наук Ирина Арефьева и член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Игорь Волович полагают, что эксперименты, которые проводятся на БАК, могут привести к созданию машины времени. Они считают, что протонные столкновения могут породить пространственно-временны́е «кротовые норы». Однако большинство ученых не разделяют оптимизма коллег. Противоположных взглядов придерживается и доктор физико-математических.
наук из НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос, отрицающий возникновение на БАК чёрных дыр, а следовательно, «кротовых нор» и путешествий во времени
КАКУЮ ОПАСНОСТЬ МОЖЕТ ПРЕДСТАВЛЯТЬ БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР?
1.Рождение чёрной дыры.
Чёрная дыра — область в пространстве-времени, сила гравитационного притяжения которой настолько сильна, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут ее покинуть. Это чрезвычайно плотные компактные объекты с массой от 4 до 170 миллионов раз превышающей солнечную. Хотя черные дыры по определению огромны, вполне возможно хотя бы в теории, что небольшое количество материи — десятки микрограммов — могут быть упакованы достаточно плотно, чтобы создать черную дыру. Это и будет примером микроскопической черной дыры.
До сих пор никто не наблюдал и не производил микроскопических черных дыр — даже БАК. Но некоторые ученые опасаются , что разгон субатомных частиц до 99,99% скорости света и последующее их столкновение могут создать настолько плотное месиво частиц, что появится черная дыра.
Физики CERN сообщают, что общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что на БАК невозможно произвести такое экзотическое явление. Но что, если Эйнштейн ошибался?
Даже если так, другая теория, разработанная известным астрофизиком Стивеном Хокингом, предсказывает, что даже если микроскопическая черная дыра образуется внутри БАК, она мгновенно распадется, не представляя никакой угрозы для существования Земли.
В 1974 году Хокинг предсказал, что черные дыры не просто пожирают материю, но и выплевывают ее в виде чрезвычайно высокоэнергетического излучения Хокинга. Согласно теории, чем меньше черная дыра, тем больше излучения Хокинга она выдает в космос, постепенно сходя на нет. Таким образом, микроскопическая черная дыра, став наименьшей, исчезнет, прежде чем сможет нанести ущерб и уничтожить нас. Возможно, по этой причине мы и не видели микроскопических черных дыр.
2.Рождение странной материи. Страпельки.
Стра́пелька («странная капелька») — гипотетический объект, состоящий из «странной материи», образованной адронами, содержащими «странные» кварки. Странная материя рассматривается в космологии как кандидат на роль «тёмной материи». Элементарные частицы, состоящие из «верхних», «нижних» и «странных» кварков, и даже более сложные структуры, аналогичные атомным ядрам, обильно производятся в лабораторных условиях, но распадаются за время порядка 10^-9 сек. Это обусловлено гораздо большей массой странного кварка по сравнению с верхним и нижним. Вместе с тем существует гипотеза, что достаточно большие «странные ядра», состоящие из примерно равного количества верхних, нижних и странных кварков, могут быть более стабильными. Дело в том, что кварки относятся к фермионам, а принцип Паули запрещает двум одинаковым фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии, вынуждая частицы, «не успевшие» занять низкоэнергетичные состояния, размещаться на более высоких энергетических уровнях. Поэтому если в ядре имеется три разных сорта («аромата») кварков, а не два, как в обычных ядрах, то большее количество кварков может находиться в низкоэнергетических состояниях, не нарушая принципа Паули. Такие гипотетические ядра, состоящие из трёх сортов кварков, и называются страпельками.
Предполагается, что страпельки, в отличие от обычных атомных ядер, могут оказаться устойчивыми по отношению к спонтанному делению даже при больши́х массах. Если это верно, то страпельки могут достигать макроскопических и даже астрономических размеров и масс.
Предполагается также, что столкновение страпельки с ядром какого-нибудь атома может вызывать его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии. В результате во все стороны разлетаются всё новые страпельки, что теоретически может привести к цепной реакции. Высказываются опасения, что данный процесс каталитического превращения обычной материи в странную может привести к превращению в странную всей материи, из которой состоит наша планета.
Физики CERN, однако, утверждают, что если и удастся создать страпельку, шансы на то, что она будет взаимодействовать с обычной материей, весьма невелики:
«При таких высоких температурах, которые производятся на коллайдерах, слепить странную материю вместе сложнее, чем образовать лед в горячей воде», — говорят они.
3.Рождение магнитных монополей.
В природе магниты обладают двумя концами — северным и южным полюсом. Но в конце 19 века физик Пьер Кюри, муж Марии Кюри, предположил, что нет никаких причин того, почему частица с одним магнитным полюсом не может существовать.
Спустя более полувека такая частица под названием магнитный монополь никогда не создавалась в природе и не наблюдалась в природе. То есть она сугубо гипотетическая. Но это не помешало некоторым предположить, что мощная машина вроде БАК может создать первый в истории магнитный монополь, который может уничтожить Землю.
Теория того, что монополь может уничтожать протоны — субатомные строительные блоки всей материи во Вселенной — спекулятивная в лучшем случае, объясняют физики CERN. Но допустим, эта теория верна. В таком случае эта частица будет обладать массой, которая слишком велика, чтобы БАК мог создать такую частицу.
ВЫВОД.
Большой адронный коллайдер – важный проект, который способствует развитию такой великой науки как физика. Что же касается опасности его использования, то исходя из приведённый фактов, я могу сделать вывод, что БАК не представляет человечеству опасности . Процессы, которые на нём происходят, происходят и в естественной природе. Примером может послужить бомбардировка Земли космическими частицами. В нашей атмосфере, как и на самой Земле происходит множество столкновений заряженных частиц, которые прилетают к нам из космоса и имеют огромные энергии сопоставимые с теми, что имеют частицы в коллайдере. Однако, это не приводит к катастрофическим последствиям – это естественное природное явление и огромных черных дыр при этом не возникает. Из этого можно сделать вывод, что гипотеза подтвердилась.
ПРИМЕЧАНИЕ:
Адроны — класс частиц, состоящих из кварков.
Бозоны — частицы с целым значением спина; бозонами являются все переносчики взаимодействий.
Глюоны — частицы-переносчики взаимодействия, связывающие кварки в адронах.
Кварки — фундаментальные частицы материи.
Коллайдер — ускоритель, в котором сталкиваются два встречных пучка частиц.
Синхротрон — кольцевой ускоритель частиц с орбитой постоянного радиуса.
Стандартная модель — современная теория элементарных частиц; охватывает электрослабое и сильное взаимодействия.
Теория электрослабого взаимодействия — описывает электромагнитное и слабое взаимодействия как разные проявления одного взаимодействия.
Электронвольт =1,6 х 10–19 Дж — энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт.
ИСТОЧНИКИ:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_адронный_коллайдер
https://hi-news.ru/research-development
http://home.cern
http://it-master.biz/ustrojstvo-bak