Большой адронный коллайдер

 

АНООВО «Севастопольская морская академия»

Факультет Транспортных технологий, туризма и менеджмента

Кафедра экономики и менеджмента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

квалификационного уровня «бакалавр»

по дисциплине

 

 «Основы научных исследований»

 

на тему «Большой адронный коллайдер»

 

 

 

 

Разработчик

доцент

Урикова Н.В.

______________________

Выполнила студентка 1-го курса 
Воробьёва А.Е

______________________

 

 

 

 

 

 

 

 

Севастополь

2015

 

Введение

Большой адронный коллайдер - самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный Европейским центром по ядерным исследованиям (CERN) в подземном тоннеле протяженностью 27 километров на глубине 50-175 метров на границе Швейцарии и Франции. На нем физики хотят проверить некоторые положения специальной теории физики элементарных частиц. Был запущен осенью 2008 года, однако из-за аварии эксперименты на нем начались только в ноябре 2009 года, а на проектную мощность он вышел в марте 2010 года. Запуск коллайдера привлек внимание не только физиков, но и простых обывателей, поскольку в СМИ высказывались опасения по поводу того, что эксперименты на коллайдере могут привести к концу света.

Цели эксперимента.

Основной целью строительства БАК было уточнение или опровержение Стандартной модели - теоретической конструкции в физике, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное, за исключением гравитационного. Формирование Стандартной модели было завершено в 1960-1970-х годах, и все сделанные с тех пор открытия, по мнению ученых, описывались естественными расширениями этой теории. При этом Стандартная модель объясняла, каким образом взаимодействуют элементарные частицы, но не отвечала на вопрос, почему именно так, а не иначе.

· Одна из главных задач БАК - экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960 году британским физиком Питером Хиггсом. Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса фактически создает всю массу во Вселенной, однако для того, чтобы его обнаружить, необходима энергия, которая и будет достигнута на БАК. При столкновении двух заряженных частиц они аннигилируются и выделяется энергия достаточная для "рождения" искомой частицы - бозона Хиггса.

· При помощи БАК физики, возможно, смогут ответить на вопрос, почему видимая материя составляет всего около 4 процентов Вселенной, в то время как остальная часть - это темная материя и "темная энергия", которые участвуют только в гравитационном взаимодействии.

· При помощи БАК физики надеются лучше понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва.

· Ученые также рассчитывают ответить на другой важный вопрос, стоящий перед Стандартной моделью: почему в существующей Вселенной так мало антиматерии, хотя, теоретически, после Большого Взрыва антиматерии и материи должно было образоваться поровну?

· Возможно, БАК поможет доказать или опровергнуть теорию о том, что кроме привычных нам четырех измерений (пространства и времени) существуют и другие измерения, которые постулируются в "теории струн", описывающей явления, которые выходят за рамки Стандартной модели и ее более простых расширений.

Ученые отмечали, что если на БАК не удастся добиться открытия бозона Хиггса (в прессе его иногда называли "частицей бога") - это поставит под вопрос всю Стандартную модель, что потребует полного пересмотра существующих представлений об элементарных частицах. В то же время, если Стандартная модель будет подтверждена, некоторые области физики потребуют дальнейшей экспериментальной проверки: в частности, нужно будет доказать существование "гравитонов" - гипотетических частиц, которые отвечают за гравитацию.

Есть и еще несколько направлений исследований, которые имеют большое значение: изучение кварк-глюонной плазмы может помочь понять строение некоторых астрофизических объектов и стать основой будущей энергетики, изучение свойств тяжелых кварков может позволить получить сведения об их внутреннем строении, то есть проникнуть на еще более глубокий уровень изучения строения материи, изучение пучков высокоэнергетичных частиц позволит усовершенствовать методы «чтения» информации, приносимых космическими лучами, и многое другое.

Большой адронный коллайдер

Большой адромнный колламйдер -- 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, на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта -- Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров более чем из 100 стран.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26659м; 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.

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.

Суть экспериментов с БАК в том, чтобы используя мощнейшие электромагниты, разгонять протоны - первоосновные частицы вещества Вселенной, происхождение и строение которых неизвестно - и сталкивать на встречных направлениях, пытаясь наблюдать, что при этом происходит и понять, что оно означает.

Предыстория

На начало 1990-х годов наиболее мощные коллайдеры действовали в США и Швейцарии. В 1987 году в США недалеко от Чикаго был запущен коллайдер Тэватрон (Tevatron) с максимальной энергией пучка 980 гигаэлектронвольт (ГэВ). Он представляет собой подземное кольцо длиной 6,3 километра. В 1989 году в Швейцарии под эгидой Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN) был введен в эксплуатацию Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для него на глубине 50-175 метров в долине Женевского озера был построен кольцевой тоннель длинной 26,7 километра, в 2000 году на нем удалось добиться энергии пучка в 209 ГэВ.

В СССР в 1980-е годы был создан проект Ускорительно-накопительного комплекса (УНК) - сверхпроводящего протон-протонного коллайдера в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино. Он превосходил бы по большинству параметров LEP и Тэватрон и должен был позволить разгонять пучки элементарных частиц с энергией 3 тераэлектронвольта (ТэВ). Его основное кольцо длиной 21 километр был построено под землей в 1994 году, однако из-за нехватки средств проект в 1998 году был заморожен, построенный в Протвино тоннель - законсервирован. Впрочем, США тоже отказались от строительства собственного Сверхпроводимого суперколлайдера (SSC) в 1993 году, причем по финансовым соображениям.

Вместо строительства собственных коллайдеров физики разных стран решили объединиться в рамках международного проекта, идея создания которого зародилась еще в 1980-х годах. После окончания экспериментов на швейцарском LEP его оборудование было демонтировано, и на его месте начато строительство Большого адронного коллайдера (БАК, Large Hadron Collider, LHC) - самого мощного в мире кольцевого ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, на котором будут сталкиваться пучки протонов с энергиями столкновения до 14 ТэВ и ионы свинца с энергиями столкновения до 1150 ТэВ.

Для чего же потребовались все эти технические ухищрения и весьма немалые затраты средств? Физики рассчитывают с помощью LHC получить ответы на целый ряд важнейших вопросов о строении материи и свойствах пространства и времени. Рассмотрим кратко основные направления исследований, планирующихся на LHC. Исследования физики микромира, проводившиеся на протяжении второй половины ХХ века, привели к созданию Стандартной Модели (СМ), которая на базе квантовополевых представлений успешно описывает практически все наблюдаемые нами микропроцессы. Согласно СМ, весь материальный мир состоит из кварков (образующих, в частности протоны и нейтроны, то есть ядерную материю) и лептонов (наиболее известным из которых является электрон). Взаимодействие кварков и лептонов происходит посредством обмена частицами-переносчиками: глюонами (сильное взаимодействие), W± и Z0 - бозонами (слабое взаимодействие) и фотонами (электромагнитное взаимодействие). Существенной чертой СМ является то, что частицы приобретают массу за счет взаимодействия со скалярными полями, носящими название полей Хиггса. Экспериментальное наблюдение кванта этих полей - хиггсовского бозона - позволит окончательно убедиться в справедливости логики СМ и внести «завершающие уточнения» в ее конструкцию. Именно для решения этой задачи энергии LHC являются очень «подходящими»: либо хиггсовский бозон будет найден, либо можно будет сделать вывод о необходимости существенного реформирования СМ. На самом деле, главной целью экспериментов на LHC является именно поиск информации, позволяющей выйти за рамки «стандартной» физики. Главным недостатком СМ является отсутствие описания гравитационного взаимодействия, которое, как поняли физики благодаря Общей Теории Относительности Эйнштейна и созданным после нее другим теориям гравитации, тесно связано со свойствами пространства и времени. В последней четверти ХХ века теоретики предложили целый ряд необычных идей для включения гравитации в фундаментальные теории микромира: существование дополнительных (помимо трех пространственных и одного временного) измерений (эта идея получила косвенное подтверждение в наблюдениях за расширением Вселенной), суперсимметрию, теории суперструн и другие. Однако выбрать среди предлагаемых теорий наиболее правильную на базе имеющихся экспериментальных данных оказалось невозможно: в области низких энергий их предсказания совпадают. Можно сказать, что, пройдя «территорию СМ» почти до конца, физики оказались на распутье, не снабженном никакими указателями для выбора нужного пути среди многих дорог. Данные, которые планируются получить на LHC, могут подтвердить справедливость некоторых из идей (например, обнаружение тяжелых суперпартнеров «обычных» частиц будет веским подтверждением идеи суперсимметрии).

Технические характеристики

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029 частиц/см?·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5?1032 до номинальной 1,7?1034 частиц/см?·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

Детекторы.

На БАК будут работать 4 основных и 2 вспомогательных детектора:

· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

· ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

· CMS (Compact Muon Solenoid)

· LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

· TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

· LHCf (The Large Hadron Collider forward)

· MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb -- большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения  пучков. Детекторы TOTEM и LHCf -- вспомогательные, находятся на удалении в несколько  десятков метров от точек пересечения  пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Процесс ускорения частиц в коллайдере и потребление энергии

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 000 оборотов в секунду.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа на 2009 год с учётом работающего коллайдера -- 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты -- около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Задачи, которые ставят перед собой создатели БАКа, мы рассмотрим ниже.

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 173,1 ± 1,3 ГэВ/c?. 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. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК -- ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков.