Участник:ЕдинствоФизикиIDem020
Содержание |
Проект "Элементарный мир"
Участники:
1. Буренин Дима
2. Буренин Данила
3. Жуманьязов Таир
4. Канькова Ирина
5. Капитанова Вика
Большой адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.
Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м[1]; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.[2] http://ru.wikipedia.org/wiki/LHC
Новости о БАК
5 декабря БАК возобновил работу после поломки
Специалистам Европейской организации по ядерным исследованиям CERN удалось частично устранить последствия сбоя в электросети центра, из-за которого в Большом адронном коллайдере снова произошли неполадки.
На данный момент по кольцу ускорителя были пропущены первые пучки, а результаты оценки повреждений ускорителя опубликованы на сайте LHC Portal.
На форуме этого интернет-источника говорится, первые пучки позволили обнаружить в работе некоторых детекторов неполадки, вызванные отключением питания.
Ранее сообщалось, что энергия пучков коллайдера достигла рекордных энергий - 1180 гигаэлектронвольт, - и первые столкновения на этих энергиях были запланированы на 4 декабря. Теперь они откладываются как минимум на сутки.
Отдельно подчеркивается, что криогенная система коллайдера, из-за которой БАК был остановлен на год, не пострадала. Более того, на момент сбоя в кольце находились пучки с энергиями около 450 гигаэлектронвольт. В результате работы аварийных систем они были погашены.
Как сообщали Ukranews, вчера, 2 декабря, работа БАКа остановилась из-за сбоя в электрической системе CERN. Аварийные системы коллайдера среагировали на сбой штатно, и пучки были погашены. При этом подчеркивается, что неполадка носила внешний характер, то есть система, обеспечивающая работу сверхпроводящих магнитов, функционировала в нормальном режиме.
Напомним, Большой адронный коллайдер является самым крупным в мире ускорителем элементарных частиц. Его планируется использовать для проверки предсказания различных физических теорий, в частности, для поиска так называемого бозона Хиггса - частицы, ответственной за наличие массы у тел.
7 декабя
Эксперимент на Большом адронном коллайдере в понедельник был остановлен из-за неполадок в системе охлаждения сверхпроводящих магнитов. Показания, свидетельствующие об отсутствии пучка, появились на странице CERN, где выводится информация о состоянии ускорителя (ее скриншот дан на иллюстрации к этой новости).
Сбой возник в точке 4 ускорительного кольца (его схему можно найти здесь). Температура некоторых магнитов возросла до 2,9 кельвина (норма - 1,9 кельвина). Ожидается, что системы ускорителя начнут работать в штатном режиме к полуночи по местному времени (2 часа ночи 8 декабря по московскому).
Большой адронный коллайдер был повторно запущен 20 ноября 2009 года после более чем годового перерыва. Задержка в работе БАК была вызвана серьезной аварией, произошедшей спустя девять дней после первой попытки запустить БАК 10 сентября 2008 года. Дефект в одном из контактов спровоцировал электрический разряд, который в итоге привел к повреждению системы охлаждения. Около ста магнитов вышли из сверхпроводящего состояния, а в туннель ускорителя вылилось несколько тонн жидкого гелия.
В ходе ремонтных работ, потребовавших разморозки БАК, ученые обнаружили еще несколько дефектных соединений, которые, теоретически, также могли вызвать аварию. Сообщалось, что инженеры устранили все обнаруженные неполадки.
В прошедшие выходные ученые провели столкновения пучков на энергии 450 гигаэлектронвольт. Ранее энергия пучков была доведена до значения 1180 гигаэлектронвольт, однако столкновения не проводились. Таким образом, в БАК был побит мировой рекорд энергии пучков.
8 декабря
Большой адронный коллайдер (БАК), остановленный накануне из-за сбоя в системе охлаждения, вновь заработал, сообщается на ЦЕРН Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН).
7 декабря сообщалось, что температура сверхпроводящих магнитов в четвертом секторе кольца ускорителя повысилась до 2,9 кельвина (-270,25 градуса по Цельсию). Тогда как стандартное значение этого показателя должно было быть на отметке в 1,9 кельвина, что играет существенную роль во время проведения эксперимента.
Восстановить работу коллайдера удалось к ночи 8 декабря. Для тестирования системы инженеры снова запустили в кольцо пучки протонов с энергией в 450 гигаэлектронвольт. Пучки циркулировали до 7 часов утра по местному времени (9 утра по московскому), и в данное время идет подготовка ускорителя к повторным столкновениям пучков.
Ранее, 2 декабря работа БАКа также была остановлена. Однако тогда работа была остановлена из-за перебоев с электроснабжением. По последним данным, сбой в криогенной системе может быть связан с предыдущими неполадками в электроснабжении.
БАК является самым мощным в истории ускорителем элементарных частиц. Торжественный запуск установки произошел в сентябре 2008 года, однако через неделю на нем произошла крупная авария. Ее последствия устранили только через год.
Ожидается, что с помощью ускорителя станут доступны принципиально новые данные о природе материи и фундаментальных физических законах. Первые серьезные результаты работы коллайдера планируется получить в начале февраля 2010 года, когда энергия столкновений на нем будет доведена максимальной (семь тераэлектронвольт)
9 декабря
Большой адронный коллайдер - как та "копейка", упрямо не желающая заводиться на морозе. Ученые столько раз его перезапускали, что можно сбиться со счету, но каждый раз что-то мешало нормальной работе гигантского ускорителя. Цепь этих неполадок, на первый взгляд, совершенно случайных, добавила пищи для размышлений и поводов для распространения панических слухов.
Критики проекта, называющие устройство чуть ли не убийцей планеты, а то и всей Вселенной, теперь заговорили еще и о каком-то проклятии, нависшем над БАК. Или, напротив, о том, что он сам противится попыткам ученых, так как человечество к этому прорыву в науке еще не готово.
Так или иначе, но коллайдер вновь "завели" после очередной остановки, вызванной сбоем в системе охлаждения. Как сообщает Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН), циркуляция пучков протонов, столкновение которых на гигантской скорости и является конечной целью проекта, возобновлена.
Кстати, перед внеплановой установкой специалисты успели устроить пучкам частиц долгожданную встречу, но пока на низкой скорости. Обработаны данные о столкновении на энергии 450 гигаэлектронвольт. Ученые считают столь быстрое получение научных результатов большой удачей, подтверждающей не только работоспособность БАК, но и успешную работу обсчитывающего столкновения оборудования.
БАК, построенный на границе Франции и Швейцарии, предназначен для проведения нескольких экспериментов, главным из которых можно считать обнаружение бозона Хиггса - частицы, отвечающей за массу всех элементарных частиц. Результат этого эксперимента должен подтвердить или опровергнуть разработанную в 1960-х гг. стандартную модель взаимодействия всех частиц, а также доказать или опровергнуть часть составляющих ее теорий. http://collayder.com/
Бозон Хиггса
Бозон Хиггса, или Хиггсовский бозон (иногда говорят просто хиггс) — теоретически предсказанная элементарная частица, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающая в Стандартной Модели вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению, хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в 1960 году (по другим данным, в 1964 году), в рамках Стандартной Модели отвечает за массу элементарных частиц. Это свойство бозона по отвергаемому большинством учёных, но активно разрекламированному средствами массовой информации мнению вызывает опасения, что искусственное получение его приведет к цепной реакции непроизвольного роста массы частиц и таким образом превратит нашу планету в «чёрную дыру». В теории, при минимальной реализации хиггсовского механизма должен возникать один нейтральный хиггсовский бозон; в расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникнуть несколько хиггсовских бозонов различной массы, в том числе и заряженные.
Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона
Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (эксперимент завершён в 2001 году, энергия 104 ГэВ на каждый пучок, то есть суммарная энергия пучков в системе центра масс 208 ГэВ) не увенчались успехом: были зафиксированы три события-кандидата на детекторе ALEPH при массе 114 ГэВ, два — на DELPHI и одно — на L3. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагается, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (LHC).
В 2001 году была проведена повторная обработка данных эксперимента D0 по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ.
Бозон Хиггса в массовом сознании
В СМИ бозон Хиггса охарактеризовали как «частицу бога». Предположения о том, что эта частица создаёт всю массу Вселенной, вызвали страхи, что искусственное её получение может вызвать цепную реакцию непроизвольного роста массы с появлением чёрной дыры. С другой стороны, невозможность открыть этот бозон может скомпрометировать текущую реализацию Стандартной модели, но в физике элементарных частиц уже разработаны её расширения. http://ru.wikipedia.org/wiki/Бозон_хиггса
Мир элементарных частиц
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек. Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия. 1.Фундаментальные физические взаимодействия В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики. 1.1. Гравитация В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n , где n = - 3 9 , от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Как уже отмечалось нами, существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет. 1.2. Электромагнетизм По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля. Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя. Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). 1.3. Слабое взаимодействие К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета -распаде вылетает еще одна частица. Она - нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино". Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие. Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10n см (где n = - 1 6 ) от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. Впоследствии выяснилось, что большинство нестабильных элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. 10.1.4. Сильное взаимодействие Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10n см (где n = - 13). Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.
