Конкурсная работа команды IDem004 Дежавю
LHC — сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер , находится на территории Швейцарии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на глубине около 100 метров. Слово «коллайдер» происходит от английского collide – сталкиваться. «Адронным» коллайдер назван, потому что предназначается для разгона адронов. Большим коллайдер стал из-за своих размеров – это крупнейшая физическая экспериментальная установка из всех когда-либо существующих в мире, только основное кольцо ускорителя тянется более, чем на 26 км. Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии.
В тоннеле проложены две вакуумные трубы, в которых и осуществляется движение протонного пучка, причём кольца, образуемые этими трубами, имеют не идеально круглую форму, а это скорее скруглённые многоугольники, в области углов которых стоят поворотные магниты. В нескольких местах эти кольцевые трубы пересекаются, именно там по сценарию должно происходить столкновение частиц, ради которого, и затеян эксперимент. Всё кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов. Охлаждение магнитов во время эксперимента осуществляется грандиозной криогенной системой, заполненной жидким гелием. Понадобилось 96 тонн этого вещества для того, что бы магниты смогли функционировать при рекордно низкой температуре -271 градус по Цельсию!
На поверхности располагается здание, в котором находится вспомогательное оборудование, насосы, вентиляционные установки, электроника, осуществляющая контроль над объектом и холодильные установки. Миллиарды мегабайт информации передаются в центр управления ускорителем, где тысячами компьютеров формируется база данных по результатам эксперимента.
Мощность Большого адронного коллайдера позволяет физикам рассчитывать по крайней мере на то, что они смогут найти убедительные подтверждения верности Стандартной модели. Стандартная модель не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют ее вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает бозон Хиггса (предсказанный шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели). 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. Физики надеются объяснить хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубокую, чем Стандартная модель. 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.
До сих пор ни в одном эксперементе 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. Таким образом, сегодня мы находимся на пороге революции наших представлений о природе.
Изучение топ-кварков
Топ-кварки — самые тяжелые из известных на сегодня фундаментальных частиц, причем они намного тяжелее всех остальных кварков. Это наводит физиков на мысль, что топ-кварки могут играть важную роль в самом процессе нарушения электрослабой симметрии. Кроме того, топ-кварки могут оказаться удобным рабочим инструментом для поиска хиггсовского бозона. Всё это требует внимательного изучения свойств топ-кварков на LHC.
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 еще сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, или даже друг с другом.
Проверка экзотических теорий
Теоретики за последние годы выдвинули огромное число интересных и необычных идей относительно устройства нашего мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями».
Все эти теории могут показаться странными и необычными, но они не вступают в противоречие с имеющимися пока экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для LHC, экспериментаторы планируют проверять эти предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на LHC, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций. Впрочем, остается, конечно, и шанс, что какая-то из этих экзотических теорий «попадет в точку». Если это открытие произойдет, то за ним последует новый период бурного развития физики элементарных частиц.
В любом случае программа работы БАК рассчитана на 20 лет. Никакого разочарования! В эксперименте, результаты которого проанализированы физиками в одном из крупнейших ускорительных центров мира, обнаружено аномальное событие. Рождение мюонов, элементарных частиц, происходило на значительном расстоянии от места столкновения протон-антипротонных пучков. Причем не парами, как предсказывалось, а в виде струй. В опубликованном отчете на arxiv.org уже сказано о невозможности объяснить результат в рамках имеющихся представлений, а в неофициальных источниках новые экспериментальные данные характеризуют как потенциальный переворот в физике. Значит впереди открытия, а может и научные революции!
Для написания статьи использовались материалы и фотографии с сайтов:
http://ctoday.ru/article/science_object/20/ http://elementy.ru/LHC/LHC/why http://track-traiding.com/why http://www.strf.ru/science.aspx?CatalogId=222&d_no=25508
