ГОУ гимназия № 1505
Московская Педагогическая Гимназия-лаборатория
Ускорители, коллайдеры (особенно Большой адронный коллайдер)
Реферат ученика
9 класса «Б» Ермолаева Ивана
Александровича
Руководитель: Наумов Алексей
Леонидович
Основные принципы работы ускорителей и коллайдеров. 4
Большой Адронный Коллайдер (БАК). 7
Я выбрал эту тему, потому что она одна из самых популярных тем в наше время, так как с помощью Большого адронного коллайдера ученые изучают самую глубинную суть нашего мира. Они пытаются найти ответы (хотя бы приблизительные) на вопросы о свойствах материи, сил, пространства-времени.
Частицы, из которых состоит окружающий нас мир, живут совсем по другим законам, чем окружающий нас «макроскопический» мир. Не зная эти законы, трудно понять, что же изучается на Большом адронном коллайдере. Поэтому, не стремясь охватить здесь всю физику элементарных и нестабильных частиц, я постараюсь рассказать лишь про некоторые явления в микромире, имеющие прямое отношение к экспериментам на LHC[1].
Мой реферат можно будет использовать на уроках физики и химии при изучении элементарных и нестабильных частиц. Также я считаю, что мой реферат пригодится ученикам 9-11 классов и студентам физических вузов.
“Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий”. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Современные ускорители это огромные установки, достигающие в размерах нескольких километров. Самые большие ускорители из ныне работающих это Теватрон и Большой Адронный Коллайдер, первый находится в соединенных штатах Америки, а второй на границе Швейцарии и Франции. Существует множество различных видов ускорителей, но прежде чем перейти к их рассмотрению я расскажу вам принцип работы любого ускорителя.
Основные принципы работы ускорителей и коллайдеров
Основная схема ускорения частиц предусматривает три стадии: 1) формирование пучка и его инжекция, 2) ускорение пучка и 3) вывод пучка на мишень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.
Формирование пучка и его инжекция. Исходным элементом любого ускорителя служит инжектор, в котором имеется источник направленного потока частиц с низкой энергией (электронов, протонов или других ионов) и высоковольтные электроды и магниты, выводящие пучок из источника и формирующие его. В источниках протонов первых ускорителей газообразный водород пропускался через область электрического разряда или вблизи раскаленной нити. В таких условиях атомы водорода теряют свои электроны и остаются одни ядра – протоны. Такой метод (и аналогичный с другими газами) в усовершенствованном виде по-прежнему применяется для получения пучков протонов (и тяжелых ионов).
Источник формирует пучок частиц, который характеризуется средней начальной энергией, током пучка, его поперечными размерами и средней угловой расходимостью. Показателем качества инжектируемого пучка служит его эмиттанс, т.е. произведение радиуса пучка на его угловую расходимость. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц с высокой энергией. По аналогии с оптикой ток частиц, деленный на эмиттанс (что соответствует плотности частиц, деленной на угловую расходимость), называют яркостью пучка. Во многих приложениях современных ускорителей требуется максимально возможная яркость пучков.
Ускорение пучка. Пучок формируется в камерах или инжектируется в одну или несколько камер ускорителя, в которых электрическое поле повышает скорость, а следовательно, и энергию частиц. В первых, простейших ускорителях энергия частиц увеличивалась в сильном электростатическом поле, созданном внутри высоковакуумной камеры. Максимальная энергия, которую при этом удавалось достичь, определялась электрической прочностью изоляторов ускорителя. Во многих современных ускорителях в качестве инжекторов еще используются электростатические ускорители электронов и ионов (вплоть до ионов урана) с энергиями от 30 кэВ[2] до 1 МэВ.
Получение высокого напряжения и сегодня остается сложной технической проблемой. Его можно получать, заряжая группу конденсаторов, соединенных параллельно, а затем подключая их последовательно к последовательности ускорительных трубок. Таким способом в 1932 Дж.Кокрофт и Э.Уолтон получали напряжения до 1 МВ. Существенный практический недостаток этого способа в том, что на внешних элементах системы оказывается высокое напряжение, опасное для экспериментаторов.
Если требуется не непрерывный пучок, а короткий импульс частиц с высокой энергией, то можно воспользоваться тем, что кратковременно (менее микросекунды) изоляторы способны выдерживать гораздо более высокие напряжения. Импульсные диоды позволяют получать напряжения до 15 МВ на каскад в схемах с очень низким импедансом. Это позволяет получить токи пучка в несколько десятков килоампер, а не в десятки миллиампер, как на электростатических ускорителях.
Обычный способ получения высокого напряжения основан на схеме импульсного генератора Маркса, в которой батарея конденсаторов сначала заряжается параллельно, а затем соединяется последовательно и разряжается через один разрядный промежуток. Высоковольтный импульс генератора поступает в длинную линию, которая формирует импульс, задавая его время нарастания. Линия нагружается электродами, ускоряющими пучок.
Большой Адронный Коллайдер (БАК).
LHC — сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер. «Большим» он назван из-за своего размера (его периметр составляет примерно 27 км), «адронным» — потому что он ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами (то есть частицами, состоящими из кварков), «коллайдером» — потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом. LHC находится на территории Швейцарии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на глубине около 100 метров (раньше в этом же туннеле располагался электрон-позитронный коллайдер LEP). Исследования на нём координирует ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований, но реально работают на нём десятки тысяч человек из самых разных стран и организаций.
В LHC можно выделить сам ускоритель и несколько детекторов, построенных вокруг точек столкновения протонов. В самом ускорителе протоны разгоняются до энергии 7 ТэВ на протон, так что полная энергия в системе центра масс двух сталкивающихся протонов равна 14 ТэВ. В каждом из двух встречных пучков — многие миллиарды протонов, поэтому полная энергия, запасенная в пучке, очень велика, она примерно равна кинетической энергии летящего самолета. Детекторы — это отдельные экспериментальные установки, по своей сложности не уступающие самому ускорительному кольцу. На LHC работает сразу несколько экспериментов, каждый со своим детектором. Два самых главных — это ATLAS и CMS.
Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.
Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.
В экспериментах на ускорителях высоких энергий изучаются самые экстремальные состояния материи. Хотя эти экстремальные состояния возникают в крошечных объемах и на совершенно ничтожное время, эти объекты всё же «чужеродны» для привычного нам мира. Поэтому при проектировании новых ускорителей на сверхвысокие энергии полезно задавать себе вопрос: “не могут ли эксперименты на этом ускорителе нанести вред окружающему нас миру?”
Этот вопрос был, разумеется, поставлен перед началом работы над созданием LHC, и на него был дан отрицательный ответ. Физики-экспериментаторы — по-хорошему консервативные люди, и если бы существовали малейшие поводы для реальных сомнений в безопасности LHC, события развивались бы совсем иначе.