Адронный коллайдер что это простыми словами
Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?
Что это такое?
Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц, построенный с участием 10 тыс. ученых из 100 стран мира. В коллайдере, длина которого около 100 километров, а диаметр превышает 25 километров, учёные «гоняют» частицы в попытке обнаружить новые и ранее неизученные свойства элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.
Найденный в 2012 году Бозон Хиггса — частица, которой, фактически, связываются электроны, протоны и нейтроны, простому обывателю не даст ничего. Но это пока. В перспективе Бозон Хиггса поможет создать новые системы связи и квантовые компьютеры, работа над которыми, к слову, уже началась.
Расширенное понимание природы и свойств Бозона Хиггса позволит создавать уникальные для техники будущего решения. Например, квантовый интернет с нулевой задержкой (пингом), который будет работать даже на Луне, или принципиально новые суперкомпьютеры, с помощью которых получится найти эффективное лекарство от рака или метод взрыва астероида, который угрожает Земле.
Антивещество – главная мечта ученых в ЦЕРН
Другое направление работ на Большом адронном коллайдере — поиск и «наработка» антиматерии — вещества с потенциально неисчерпаемым источником энергии. Антиматерия — это то, что возникло почти сразу после Большого взрыва и затем бесследно исчезло, оставив учёным лишь след из хлебных крошек.
Принцип получения антиматерии объяснять нет смысла — он слишком сложен для понимания даже тем, кто разбирается в точных науках, но про потенциальное применение антиматерии поговорить всё-таки стоит. В 2010 году учёные из ЦЕРН пояснили, что потенциально антиматерия обладает огромным запасом энергии. Если допустить, что двигатель, основанный на взаимодействии (или, точнее, противодействии) материи и антиматерии поместить в космический корабль, то незначительного количества вещества, нескольких миллиграммов, будет достаточно для полета хотя бы к краю Солнечной системы и возвращения.
Тот же самый принцип и с обычными высокопроизводительными реакторами. Искусственное получение антиводорода, к примеру, считают вменяемой, пусть и очень дорогой альтернативой пока нереализованным видам энергетики, таких, как термоядерный синтез.
БАК очень интересовал армию США, но никто не знает – почему
Известно, что через ведущие НИИ США DARPA заказывало разработку специальных детекторов для коллайдера и в ведомстве живо интересовались результатами работ по этой теме. Что именно интересовало американских военных сказать сложно, однако американские вузы, тесно связанные с DARPA, а также Министерство энергетики США, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Национальный научный фонд будут активно участвовать и в другой, более крупной программе.
Через несколько лет на том же месте, где сейчас находится Большой адронный коллайдер, начнётся строительство суперколлайдера нового типа. В новом ускорителе частиц энергия столкновения должна увеличиться до 100 тераэлектронвольт (ТэВ), при том, что сейчас получают 14 ТэВ. Официально декларируется и цель — поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц.
К чему приведут такие эксперименты сказать сложно. Физики считают, что включение в «крайние режимы» маловероятно, однако в действительности увеличение мощности суперколлайдера на несколько порядков может привести либо к трагедии, либо к получению супероружия. В 2008 году двое американцев даже пытались засудить Минэнерго США за участие в разгоне субатомных частиц до 99,99% скорости света.
Большой адронный коллайдер — главный инструмент современных физиков
статьи | Jul 02, 2019 | Наука и Образование | 
1713
Как устроен Большой адронный коллайдер, зачем его построили и для чего снова модернизируют?
Исследование законов, которые лежат в основе существования нашей Вселенной, — сложнейшая задача, над которой ученые бьются с античных времен. Человечество всегда занимали вопросы: из чего состоит окружающий мир? Как устроена материя на самом мелком уровне и есть ли у вещества вообще предел делимости?
Демокрит считал, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, форма которых определяет свойства вещества. Собственно говоря, с древнегреческого слово «атом» и переводится как «неделимый». Мы до сих пор используем этот термин, хотя уже давно знаем, что атомы состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов, а ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, распадаются на кварки. На этом уровне привычная нам ньютоновская физика уже не работает, и частицы взаимодействуют по законам квантовой механики.
Как же изучать объекты, размеры которых настолько малы, что рассмотреть их не поможет никакое, даже самое мощное увеличение? Ведь любой микроскоп сам состоит из атомов.
Для того чтобы понять, как устроены элементарные частицы, из чего они состоят и каким воздействиям подвержены, ученые ускоряют их до огромных скоростей, а затем сталкивают. В результате столкновения на короткое время происходит расщепление частиц, и с помощью специальных детекторов можно зафиксировать отдельные составляющие, на которые распались изначальные частицы. Таким образом ученые изучают свойства уже известных элементарных частиц, а также открывают новые.
Знаменитый бозон Хиггса, существование которого было теоретически обосновано еще в 1964 году, после многолетних экспериментов удалось обнаружить с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) в 2012 году.
БАК — самый масштабный международный проект в области науки, который помогает физикам экспериментально проверять теоретические модели устройства материи и Вселенной. Строительство БАК было начато в 2001 году. В 2008 году коллайдер был испытан и сдан в эксплуатацию. В 2010–2012 годах прошел первый полноценный сеанс работы БАК. После этого ускоритель модернизировали в течение двух лет. В обновленной комплектации он проработал до конца 2018 года. Сейчас в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) идут работы по очередному апгрейду, благодаря которому физики планируют существенно увеличить эффективность установки.
Что такое Большой адронный коллайдер?
С английского collider можно перевести как «сталкиватель». В БАК разгоняют протоны, нейтроны и другие тяжелые ядра, подверженные сильному ядерному взаимодействию. Этот класс частиц называется адронами — отсюда и название ускорителя.
На сегодняшний день БАК является самым большим ускорителем частиц. Он был построен в ЦЕРНе на месте предыдущего ускорительного комплекса — электрон-позитронного коллайдера. В работе БАК, а также в его обслуживании принимает участие более 10 тысяч человек по всему миру — это инженеры и ученые, работающие непосредственно в ЦЕРНе, а также огромное количество исследователей более чем из 100 стран.
Основная часть установки расположена на территории Швейцарии и Франции, в кольцевом тоннеле, длина окружности которого достигает почти 27 км. В тоннеле, проложенном на глубине около 100 метров, находятся две вакуумные трубы, в которых во время экспериментов в противоположных направлениях вращаются разогнанные пучки частиц. Частицы не должны задевать стенки труб, диаметр которых всего несколько сантиметров. Для этого их траекторию контролируют мощнейшие фокусирующие магниты. Для разгона частиц служит ускорительная секция, магниты которой с каждым оборотом протонного пучка придают ему дополнительную энергию. Специальная система сброса пучка в случае необходимости быстро уводит частицы из основного канала ускорителя в боковой.
Разогнанные пучки вращаются в трубах ускорителя со скоростью более 10 тысяч оборотов в секунду. Энергия столкновения провоцирует расщепление частиц на более мелкие составляющие. Для проведения экспериментов необходимо не только разогнать и столкнуть частицы, но и зафиксировать результаты столкновения. Эту задачу выполняют специальные детекторы элементарных частиц, расположенные в местах пересечения вакуумных труб. Часто для краткости под ускорителем подразумевают не только саму установку для разгона и стабилизации траектории пучков, но и детекторы.
Схема адронного коллайдера
Первичный разгон пучков происходит в относительно небольшом кольце SPS. Затем частицы попадают в основной канал ускорителя.
Основное кольцо поделено на восемь секторов. Вакуумные трубы пересекаются в точках 1, 2, 5, 8 (см. рисунок). В этих точках располагаются детекторы, регистрирующие результаты столкновения частиц. Основных детектора — четыре: крупные ATLAS и CMS и два средних: ALICE и LHCb. Также на БАК установлены еще два небольших специализированных детектора около ATLAS и CMS — это TOTEM и LHCf.
Зачем нужен адронный коллайдер
БАК способен удивить любого масштабом проекта, однако человеку, далекому от науки и технологий, может показаться непонятным, для чего нужна вся эта громадная установка, стоящая миллиарды долларов, если она не приносит непосредственных практических результатов.
Неужели один эксперимент настолько важен?
При том, что коллайдер объединяет усилия и опыт множества людей, результатами испытаний пользуются различные научные группы по всему миру. Так что одни и те же данные могут помочь в исследованиях ученым, работающим в разных направлениях современной физики.
The eight toroid magnets can be seen surrounding the calorimeter that is later moved into the middle of the detector. This calorimeter will measure the energies of particles produced when protons collide in the centre of the detector.
Кроме того, БАК — это сложнейший комплекс, включающий в себя ускоритель, детекторы, вспомогательные помещения. Строго говоря, отдельный эксперимент происходит на каждом детекторе, каждый из которых предназначен для своих задач, и все они собирают различные данные. Так что на ускорителе проходит не один эксперимент, а сразу несколько, а полученные данные используют тысячи ученых по всему миру.
Польза фундаментальных исследований
Фундаментальные исследования обычно не подразумевают сиюминутной выгоды и готовых прикладных решений. Новые разработки на базе научных открытий могут появиться спустя годы, а роль огромного количества научных результатов вовсе не в практической пользе. Вообще говоря, первостепенной задачей науки является построение цельной, доказанной модели. Если эксперименты опровергают теорию, которая главенствовала до этого, ученым приходится искать новое обоснование, объясняющее научные факты, и строить новую теорию.
Эксперименты на БАК позволяют проверить справедливость теории, носящей название Стандартной модели, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, однако не объясняет существование гравитации, темной материи и темной энергии. Логика экспериментов на коллайдере такая: наблюдая эффекты столкновения протонных пучков, ученые стараются зафиксировать любые, даже самые незначительные отклонения от Стандартной модели. Эти результаты должны помочь построить так называемую Новую физику, в которой будет обобщенная теория, объясняющая все виды фундаментальных взаимодействий. Говоря простым языком, если нам удастся построить такую теорию всего, то, располагая достаточными вычислительными ресурсами, мы сможем точно просчитать и предсказать любой физический процесс.
За годы работы БАК ученые обнаружили бозон Хиггса и другие частицы, подробно описали некоторые процессы, происходящие при распаде частиц, и получили ряд других значительных результатов. Все эти научные открытия вносят вклад в общее знание физиков о Вселенной. Часть этих знаний поможет создать новые технологии, использующие законы природы на благо человека.
Кстати, большинство ученых занимается наукой не потому, что хотят придумать нечто полезное и практичное для общества. Эти люди влюблены в свое дело и обожают решать сложные задачи. Так что наука ради науки — это очень мощная мотивация.
Зачем изучать элементарные частицы?
Пытаясь проникнуть на все более мелкие уровни организации материи, исследователи постоянно натыкаются на все новые и новые преграды. К началу XX века сложилось представление о том, что атомы состоят из положительно и отрицательно заряженных частиц. Потом стало понятно, что плотное ядро занимает совсем небольшой объем атома где-то в центре, а вокруг ядра как-то распределены электроны. Постепенно ученые пришли к современной квантово-механической модели атома. Каждый новый шаг требовал новых экспериментов.
Следующий этап развития физики — полноценное изучение законов, по которым существуют элементарные частицы вроде кварков и нейтрино.
Кстати, уже сегодня есть и прикладные результаты этих исследований. Например, изучение элементарных частиц помогает разрабатывать такие способы борьбы с онкологическими заболеваниями, как адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография и другие технологии.
БАК — это микроскоп для элементарных частиц
Если физики изучают настолько маленькие объекты, зачем им такая огромная установка для экспериментов? Такой вопрос вполне может возникнуть у некоторых обывателей.
Дело в том, что, чтобы зафиксировать элементарные частицы, необходимо увеличить их энергию, чтобы они были «более заметны» для детекторов. Для того чтобы этого добиться, и необходим огромный комплекс БАК. Кроме того, надо помнить, что в этот комплекс также входит огромное количество оборудования, стабилизирующего траекторию частиц, и других вспомогательных установок.
Энергия частиц на БАК аналогична разрешающей способности микроскопов, которая ограничена длиной световой волны.
Оправданны ли такие дорогие эксперименты?
Цена экспериментов на БАК тоже может показаться огромной. Разумно ли тратить такие деньги (миллиарды долларов) на фундаментальную науку, если можно на них сделать нечто полезное и необходимое для обычной жизни? Ведь страны — участницы проекта вкладывают в исследования деньги налогоплательщиков.
На самом деле такие траты, конечно же, оправданны. Дело в том, что если бы эти деньги пошли не на коллайдер, то их направили бы в другие научные исследования, ведь каждая из стран выделяет средства из той части бюджета, которая и предназначена для науки. Однако БАК, безусловно, наиболее эффективная система, которая позволяет получить уникальные данные. Так что лучше вложиться в большой международный проект и потом пользоваться результатами экспериментов, чем создавать десять менее дорогих, но и менее эффективных проектов.
Уничтожит ли коллайдер Вселенную?
Вокруг БАК существует огромное количество мифов, среди которых есть и утверждение, что ускоритель способен уничтожить нашу планету или даже всю Вселенную.
Обоснование этого мифа строится на теории о том, что Вселенная, в которой мы живем, нестабильна, а столкновения на коллайдере могут породить более стабильную версию Вселенной, которая начнет разрастаться и разрушать нашу версию.
Опровергнуть подобные суждения довольно просто. Ведь во Вселенной постоянно происходят естественные процессы, которые ускоряют и сталкивают бесчисленное количество частиц с энергиями, которые на БАК просто недостижимы. И если бы существовала малейшая вероятность, что подобные столкновения приведут к «вселенской катастрофе», то это уже давно бы случилось.
Перезагрузка
В конце 2018 года все эксперименты на БАК были остановлены, и команда инженеров начала масштабный апгрейд системы. Целью усовершенствований является создание Большого адронного коллайдера высокой светимости. Проще говоря, будут усовершенствованы системы разгона, столкновения и детекции частиц для большей эффективности запусков ускорителя. Адронный пучок в новой версии коллайдера будет гораздо плотнее, а значит, увеличится и вероятность столкновения отдельных частиц. После столкновений будет получаться большее количество «обломков» элементарных частиц, детекторы станут регистрировать еще больше событий, и вероятность обнаружить новые частицы существенно увеличится.
Коллайдер высокой светимости проработает с начала 2021-го до конца 2023 года. Затем последует следующий этап модернизации для повышения светимости еще в 5–7 раз. Следующий сеанс эксплуатации будет начат в 2026 году.
Пока что точно просчитан план эксплуатации и усовершенствования ускорителя до 2034 года. Однако сейчас ЦЕРН работает над разработкой проекта FCC (Future Circular Collider), то есть коллайдера будущего, который разместится в том же тоннеле.
[Прелесть физики] Большой адронный коллайдер – спасение современной физики
Danial Baizak
Квантовая физика – один из самых запутанных разделов науки, описывающей весь мир вокруг нас. Абсолютно все, что вы можете потрогать и о чем можете подумать, состоит из мельчайших частиц, а если быть точнее – элементарных.
Введение в строение микромира
Итак, начнем с небольшого экскурса в микромир. Благодаря квантовой физике человечеству известно, что пространство вовсе не пустое, как было принято думать. На самом же деле оно содержит бесчисленное множество мельчайших частиц вроде молекул и атомов. Мир вокруг нас состоит из вещества, образованного молекулами и атомами; атомы же состоят из нуклонов и электронов … и все? Постойте, это далеко не конец! Если углубиться еще дальше, а именно в строение составляющих атом протонов, нейтронов и электронов, то можно понять, что атом далеко не мельчайшая частица материи.
Стандартная модель физики элементарных частиц. Источник изображения
Стандартная модель – совокупность теорий, которые составляют представление о фундаментальных частицах, их взаимодействиях и строении материи.
Фермионы (кварки и лептоны) дают начало веществу во Вселенной. Кварки являются некими строительными элементами – кирпичиками, складывающимися в целый дом. Бозоны же, в свою очередь, определяют, как материя взаимодействует между собой. К примеру, глюон, относящийся к бозонам, отвечает за сильные взаимодействия между кварками, словно бетон, который скрепляет все кирпичи вместе. Фотон – безмассовая частица света, ответственная за электромагнитные взаимодействия, а W- и Z-бозоны – за ядерные распады.
На рисунке представлены протон и нейтрон. Глюоны – маленькие частички-пружинки, соединяющие кварки нижние (d) и верхние (u). Нейтрон состоит из 2 нижних, 1 верхнего кварков и 3 глюонов, а протон – из 2 верхних, 1 нижнего кварков и 3 глюонов. (рис. 2)
Все частицы образовались в результате Большого Взрыва, произошедшего примерно \(13.8\) млрд лет назад. Спустя \(10^<-36>\) секунд после момента Большого Взрыва все пространство заполнилось некой “кашей”, собранной из кварков и глюонов, – кварк-глюонной плазмой. После этого этапа температура Вселенной упала до значений, при которых стал возможен следующий этап – фазовый переход – бариогенезис. В этот миг заполняющие пространство кварки и глюоны объединились в так называемые барионы – уже всем известные протоны и нейтроны.
Пока материя собиралась из элементарных частиц, параллельно образовывалась антиматерия. Соединяясь, материя и антиматерия взаимоуничтожились, превращаясь в электромагнитное излучение. Все атомы и молекулы, из которых состоит материя, существуют с самого зарождения Вселенной. Они не только застали древнюю Вселенную, но и наблюдали ее расширение и развитие.
Долгие годы исследований вывели человечество на правильный путь понимания того, как сконструирована вся материя во Вселенной. Однако исследования материи продолжаются, подкидывая все новые частички пазла в уже, казалось бы, собранную картину мира.
Как изучать элементарные частицы?
Из-за столь малых размеров элементарных частиц их невозможно разглядеть и потрогать, а изучить не так уж и просто. К тому же, сама Вселенная позаботилась о “сохранности” элементарных частиц: многие фундаментальные частицы не существуют в настоящее время. Вся текущая материя состоит из нескольких видов фермионов, а остальные же частицы существовали только во времена Большого Взрыва и по сей день их можно выявить лишь в специальных коллайдерах.
Для изучения процессов, происходивших в те далекие времена зарождающейся Вселенной, и был создан большой адронный коллайдер. Построенный всего лишь за \(7\) лет (\(2001\)-\(2008\) г), большой адронный коллайдер (БАК) – настоящее чудо инженерии, расположенное в Женеве. Первые испытания коллайдера прошли удачно, но в скором времени в ходе испытаний \(19\) сентября произошла авария – квенч – явление, возникающее в сверхпроводящих электромагнитах и сопровождающееся спонтанным переходом магнита в непроводящее состояние. Один из электрических контактов расплавился, что привело к непредвиденной поломке конструкций, загрязнению и нарушению работы гелиевой системы охлаждения коллайдера. После починки и неудачного “первого раза” большой адронный коллайдер продолжил нормальную работу во благо науки, став мощным инструментом для дальнейшего развития физики. С его помощью ученые смогли получить множество фундаментальных частиц, а затем, изучая их структуру и свойства, все глубже пробраться к истокам Вселенной.
С какой целью проводятся исследования на БАКе?
В БАКе ученые способны воссоздать условия при зарождении Вселенной, благодаря чему БАК стал местом многочисленных экспериментов для исследования физических теорий о фундаментальном устройстве мира. Большой адронный коллайдер является частью Европейской организации по ядерным исследованиям, именуемой ЦЕРН. Вот некоторые проблемы и теории, которые изучают в ЦЕРНе:
Нынешние теории не дают описания всех фундаментальных взаимодействий, и, по мнению ученых, должны быть частью более глубокой теории.
Суперсимметрия – теория, связывающая бозоны и фермионы, согласно которой в суперсимметричном мире бозоны выполняют роль фермионов, а фермионы – роль бозонов.
Поле Хиггса – поле, благодаря которому частицы обретают массу.
Топ-кварки – одна из фундаментальных частиц, существовавшая во времена зарождения Вселенной. Изучением их и других кварков занимаются в БАКе.
Кварк-глюонная плазма – это состояние материи, при котором кварки и глюоны (составляющие протонов и нейтронов), находятся в свободном состоянии.
Столкновения фотонов и адронов проводятся в БАКе для изучения их свойств и получаемых продуктов этих столкновений. Адроны – класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Данный класс частиц делится на две группы – барионы и мезоны (протоны, нейтроны, пентакварки).
Антиматерия – материя, состоящая из античастиц. Особенность этих частиц состоит в том, что они обладают такими же массой и спином, как их братья-близнецы элементарные частицы, но отличаются всеми остальными свойствами. К примеру, античастица электрона позитрон имеет положительный заряд.
Принцип работы коллайдера
В коллайдере происходят запланированные столкновения пучков протонов или ионов свинца, которые, достигая околосветовой скорости, сталкиваются во встречных направлениях. В результате таких столкновений протоны и нейтроны распадаются на более мелкие частицы, фиксируемые детекторами. (рис. \(3\))
Рис 3. Результат столкновения двух протонов, приводящий к образованию самых разных частиц, в том числе Бозона Хиггса. Источник.
Для достижения столь огромной скорости разгон осуществляется в \(5\) этапов:
I этап. Первый и самый маленький линейный ускоритель длиной менее \(100\) м начинает разгонять пучки протонов, предавая им энергию в \(0.05\) ГэВ, и далее направляет эти пучки в последующие синхротроны.
1 эВ равен энергии, необходимой для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В, то есть 1 эВ = \(1.6·10^<-19>\) Дж. Для наглядности полет комара эквивалентен энергии в 1 ТэВ. Но особенность коллайдера заключается в том, что он помещает эту энергию в систему, которые в миллиарды раз меньше комара.
II этап. Бустерный синхротрон длиной \(157\) метров разгоняет частицы до \(91.6\) % от скорости света, придавая им энергию в \(1.4\) ГэВ.
III этап. Протонный синхротрон длиной \(628\) м разгоняет частицы до \(99.93\) % от скорости света, придавая им энергию \(25\) ГэВ.
IV этап. Протонный суперсинхротрон длиной \(6900\) м разгоняет частицы до \(99.9998\) % от скорости света, придавая им энергию в \(450\) ГэВ.
V этап. Главное кольцо БАК длиной \(27\) км разгоняет частицы до \(99.9999991\) % от скорости света, придавая им энергию до \(7000\) ГэВ. Именно в этом кольце и происходит все самое интересное. (рис. \(4\))
Рис 4. Схема разгона частиц для последующего попадания в главное кольцо. p и Pb соответствуют I этапу, II этап происходит в непомеченном круге, III этап происходит в PS (Proton Synchrotron), IV этап – в SPS (Super Proton Synchrotron) и V этап – в кольце LHC (Large Hadron Collider). Источник
Столкновения пучков регистрируются детекторами. На главном кольце коллайдера расположены 4 главных детектора (ALICE, CMS, LHCb, ATLAS) и 3 вспомогательных детектора (TOTEM, LHCf, MoEDAL).
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) – детектор, предназначенный для изучения столкновений тяжелых ионов, по типу ионов свинца (свинец – самый тяжелый из стабильных элементов). В результате столкновений достигается необходимая температура и энергия для образования кварк-глюонной плазмы. Таким образом, полученная в ALICE температура в \(9\) трлн. градусов симулирует условия при зарождении Вселенной.
CMS (Compact Muon Solenoid) – детектор общего назначения, предназначен для поиска и изучения бозонов Хиггса, а также отклонений от Стандартной модели.
LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) – самый маленький среди основных детекторов. На LHCb был открыт новый класс частиц – пентакварки. Изучение антиматерии, асимметрии, Стандартной модели являются главными целями ученых, работающих на LHCb.
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) – детектор, предназначенный для изучения протон-протонных столкновений и выявления сверхтяжелых элементарных частиц вроде бозона Хиггса или суперсимметричных партнеров фундаментальных частиц.
Частица всего
Пожалуй, одним из самых громких открытий, сделанных с помощью БАКа, является открытие бозона Хиггса. Произошло это \(4\) июля \(2012\) года на детекторе ATLAS, где была зафиксирована новая частица с массой \(126 \frac<ГэВ> <с^2>\). Питер Хиггс, предсказавший существование этого бозона еще \(50\) годами ранее, в \(2013\) году был удостоен Нобелевской премии по физике за разработку теории, объясняющую механизм получения массы веществом. Бозон Хиггса является важной частью Стандартной модели, давая ответ на один из самых фундаментальных вопросов: каким образом у частиц появляется масса. Частицы наподобие фермионов, протонов и нейтронов получают массу из-за взаимодействия с полем Хиггса, создаваемым одноименным бозоном. Большинство частиц, проходя сквозь это поле, начинают “вязнуть” и таким образом обретают массу, другие же вовсе могут находиться в поле и не иметь никакой массы.
Открытие бозона Хиггса не только объяснило взаимодействие между различными составляющими материи, но и изменило общее понимание Стандартной модели, ее развития и более подробного изучения. Приблизил ли нас бозон Хиггса к разгадке главной тайны тысячелетия или вовсе отдалил на сотни лет назад еще неизвестно. Известно одно – квантовая физика куда загадочнее, чем может казаться.
Как совершенствуют коллайдер?
Для изучения столкновений частиц необходимо колоссальное количество энергии для их разгона, и иногда в коллайдере может попросту не хватить этой энергии. Любые погрешности и неточности чреваты неточностями в данных, где отклонения в тысячные доли могут существенно повлиять на конечный результат. Поэтому в ближайшее время инженеры БАКа планируют установить дополнительные \(130\) сверхпроводящих магнитов из оловянно-ниобиевого сплава (\(Nb_3Sn\)) для увеличения энергии, скорости и количество частиц, а также улучшения светимости коллайдера. Минуточку, что же такое светимость?
Светимость – это параметр ускорителя, который характеризует интенсивность столкновений частиц с определенной мишенью. Для повышения светимости БАК инженеры устанавливают “крабовые резонаторы” (рис. \(5\)), используемые в коллайдерах, чтобы обеспечивать необходимый разворот частиц для увеличения светимости. Также эта схема помогает свести к минимуму лишние и ненужные столкновения встречных пучков частиц. На большом адронном коллайдере планируется установить \(15\) “крабовых резонаторов”, что заметно повысит его эффективность. На данный момент светимость коллайдера составляет всего лишь \(1029 \frac<частиц><см^2\cdot с>\), но в будущем после улучшения коллайдера ученые хотят довести светимость до небывалых \(1700 \frac<частиц><см^2\cdot с>\). Совершенствование коллайдера необходимо для повышения точности получаемой информации, которую мы используем для изучения устройства Вселенной.
Специалист CERN настраивает “крабовые резонаторы” / © CERN
Что ожидают получить ученые?
Повышение эффективности и производительности коллайдера увеличит количество получаемых бозонов Хиггса, что заметно ускорит процесс изучения поля Хиггса. После успешной модификации сотрудники ЦЕРНа ожидают получать \(15\) миллионов частиц бозона Хиггса (на фоне прошлогодних \(3\) миллионов). Количество получаемых элементарных частиц определяет вектор дальнейшего развития физики, а именно изучение некоторых основополагающих теорий, среди которых:
Суперсимметрия – теория о преобразовании фундаментальных частиц друг в друга, то есть обратные превращения фермионов (кварков, лептонов) и бозонов. Образно говоря, из этой теории следует, что возможны процессы превращения вещества (фермионов) во взаимодействия (бозоны), и наоборот.
Теория Всего – совокупность физико-математических теорий, описывающих абсолютно все возможные вещества и их взаимодействия. Более удобная концепция мира для ученых имеет существенный изъян: если изучить все о строении и принципах работы Вселенной, пропадает необходимость в дальнейшем познании.
Мультивселенная – теория о существовании параллельных вселенных, которую поддерживает большинство физиков, космологов, философов и даже обычных людей, не заинтересованных в этой теме. Если эта теория окажется верной, то «Теория Всего», активно разрабатываемая учеными, может потерпеть крах – ведь законы в параллельных вселенных могут не совпадать с законами нашей вселенной!
Заключение
Стремление к познанию движет человеком. Веками задаваясь простым, но таким сложным вопросом “как устроен наш мир?”, ученые вновь убедились, что наша Вселенная хранит куда больше тайн и загадок. Большой адронный коллайдер стал спасением современной физики, столкнувшейся с сотнями вопросов, оставшихся без ответов. Огромная система сверхпроводящих магнитов, чем и является по своей сущности БАК, за двадцать лет своего существования сумела приблизить все человечество к главной загадки Вселенной, некогда лежащей тысячи световых лет от нас. И пусть физика любит удивлять нас новыми вопросами, взявшимися точно из ниоткуда, теперь у людей есть свой козырь в рукаве – большой адронный коллайдер.
Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.
Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова
Хочешь получать рассылку от нас?
[Математика ғажабы] Пифагор теоремасы
Математика тек формулалар ғана емес. Математика — бізді қоршайтын барлық нәрселер. Онда теоремалар мен аксиомаларды білу ғана емес, фундаментал қағидаларды түсініп, сезе білу де маңызды. Мұндай фундаментал білім қатарына мектепте геометрия сабақтарында танысатын Пифагор теоремасы кіреді. Алайда оқу бағдарламасы кейде теореманың өзінің сұлулығы мен көркемдігін қарастырмай кетеді, ал олардың рөлі үшбұрыштардың
[Математика ғажабы] Геометриямен жасырынбақ ойнау
Кез-келген геометриялық есепті аналитикалық жолмен шығаруға болады деп қабылданған. Шыныменде, егер сізде жеткілікті түрде тәжірибе болса онда сізге декарттық немесе бариентрлік координаттарды тұрғызу арқылы барлық геометрияны «сандар» арқылы оп-оңай шығарып (шығара алмауыңыз да мүмкін) тастау еш қиындық туғызбайды. Бұл таңғаларлық нәрсе емес. Математиканы қаншалықты тереңірек зерттеген сайын, соншалықты оның түсініксіз
[Математика ғажабы] Шексіздік
Баршамызға математиканың өзімізге таныс нақты сандармен қосу, көбейту сынды амалдарды орындағанда қалай жұмыс жасайтындығы таныс. Алайда сандар аяқталып, шексіздікке өткен кезде математикадағы қызық енді басталады. Математикада шексіздік сіз ойлағанға қарағанда маңыздырақ рөл атқарады. Математиканың көптеген бөлімдерінің маңызды бөлігі бола тұра, кей жағдайларда шексіздік адам сенгісіз, әдемі шешімдерге де әкеле алады.
Если не указано иначе, все текстовые материалы блога ОФ Beyond Curriculum лицензированы под CC BY-NC-SA 4.0