Конкурсная работа команды IDem005 ГнОмы

Мы живем в уникальное время, когда загадка создания Вселенной, может быть решена исследованием элементарных частиц! Сорокалетняя охота за "святым Граалем от физики" - неуловимой "Божественной частицей" – скоро увенчается успехом. Британская The Times опубликовала интервью Питера Хиггса, автора теории о "бозоне Хиггса", необыкновенной частице которая, как считается, наделяет материю массой и, таким образом, позволяет ей образовывать все физические тела во Вселенной: звезды, планеты и людей. В 1964 году, предложив гипотезу о существовании бозона Хиггса, профессор изящно решил одну из сложнейших задач в так называемой "стандартной модели" теоретической физики. Хиггс выдвинул гипотезу, что Вселенная пронизана незримым полем, состоящим из бозонов – частиц, с помощью которых материя обретает массу и тем самым существует в форме. Когда элементарные частицы движутся сквозь это поле, бозоны фактически "прилипают" к некоторым из них, увеличивая их массу, а другим позволяют лететь, не обременяя их. Например, фотоны – частицы света, не имеющие массы, – не испытывают на себе влияния поля Хиггса. Пока хиггсовский бозон существует только в теории. Доказать его существование в Природе с помощью прежних ускорителей не удалось. Проект Большого Адронного Коллайдера и возник, чтобы это доказательство получить. Поскольку этот бозон полагается тем базовым кирпичиком Стандартной Модели, которая способна объяснить принципы мироздания и функционирование Вселенной.

По словам Хиггса, обнаружить бозоны поможет новый ускоритель элементарных частиц. БАК даст достоверную информацию о происхождении Вселенной, поскольку позволит воссоздать условия, имевшие место спустя одну триллионную долю секунды после Большого взрыва. Согласно теории бозон Хиггса может существовать именно при таком сильнейшем выбросе энергии, как в первые секунды после Большого взрыва.

Общая стратегия

Физиков интересует, на самом деле, не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубокую, чем Стандартная модель. В Стандартной модели — единственной на сегодня теории, которая хорошо описывает мир элементарных частиц, — до сих пор не проверено на опыте одно очень важное явление — хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. На LHC будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца. При лобовом столкновении двух ультрарелятивистских ядер на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений очень нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которое окажется очень полезным как для ядерной физики, так и для астрофизики.

При столкновении лоб в лоб тяжелых ядер на LHC на очень короткое время образуется «комок» адронного вещества с очень высокой температурой и давлением. Похожие температуры и давления действительно имели место в ранней Вселенной, однако на этом сходство заканчивается. В ранней Вселенной расширялось пространство вместе с веществом, в то время как «горячий комок», возникший в ядерном столкновении, просто расширяется и остывает в обычном пространстве. Кроме того, состав и течения этой горячей ядерной материи в ранней Вселенной и в столкновении сильно различаются. Поэтому говорить о воссоздании ранней Вселенной можно только с оговорками. Ну и, конечно, сам Большой взрыв такие опыты ни в коей мере не могут смоделировать. Физиков такие столкновения интересуют, разумеется, не для того, чтобы просто «копировать природу», а для того, чтобы узнать, как плавится ядерное вещество. Лучшее понимание теории сильных взаимодействий, которое должно возникнуть по результатам этих экспериментов, окажется полезным как для ядерной физики, так и для космологии и астрофизики нейтронных звезд.

Планы развития

После того, как LHC возобновит работу и начнёт выдавать научные данные, планируется провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, в первую очередь SPS, что позволит заметно повысить светимость коллайдера (проект Super-LHC). Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC). Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее.

Поставленные задачи

1)Изучение топ-кварков Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 171,4 ± 2,1 ГэВ. 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 хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона в БАК — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков. 2)Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1960 году в рамках Стандартной Модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как масса. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ). На самом деле, физиков интересует не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнёт физиков на новую теорию мира, более глубокую, чем СМ. 3)Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что в ускорителе в режиме ядерных столкновений будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. 4)Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». 5)Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться как встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

Заключение

Возможно, БАК является "Предпоследним ускорителем". Дело в том, что задача LHC – обнаружить новые частицы, и в первую очередь "хиггсы". Но в столкновении двух протонов с колоссальной энергией рождаются тысячи частиц, и новые среди них в лучшем случае можно только увидеть, но уж никак не изучить. Для пристального изучения новых частиц, их свойств и продуктов распада гораздо лучше подойдет другой ускоритель, в котором будут сталкиваться электроны и позитроны. В таком столкновении всегда рождается только то, что нужно, безо всяких дополнительных тысяч мешающих частиц. Но строить этот новый ускоритель имеет смысл только после того, как на LHC будут найдены новые частицы, хотя бы только один "хиггс". Еще один интересный момент. Этот последний ускоритель будет линейным, поскольку закручивать электроны такой энергии не удается по разным причинам. Длина нового линейного ускорителя составит 40-50 километров, и пока даже неясно, где именно он будет построен. Есть инициативная группа энтузиастов, которая обсуждает его детали на своих встречах. Возможные места постройки – Германия, Россия, Япония и ЦЕРН. Примерная временная шкала: в 2009 году LHC начал работать; в самом лучшем случае, в 2010-2011 году появятся первые физические результаты. Тогда же может быть одобрен проект линейного ускорителя. А уже к 2012 году проект разработают, найдут финансирование и, в лучшем случае, к 2018-2020 году – построят. А "последним" он будет потому, что ничего более глобального построить в принципе нельзя. Стало быть, LHC и есть предпоследний ускоритель.

Список источников:

1)http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks 2)http://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_адронный_коллайдер 3)http://citcity.ru/22661/ 4)http://www.collaider.net/zadachi