Адронный коллайдер для чего простыми словами
Зачем нужен большой адронный коллайдер и где он находится
Где находится большой адронный коллайдер?
Зачем нужен большой адронный коллайдер?
В окрестностях Женевы в 27-километровом (26 659 м) круговом бетонном тоннеле создано кольцо сверхпроводящих магнитов для разгона протонов. Предполагается, что ускоритель поможет не только проникнуть в тайны микроструктуры материи, но и позволит продвинуться в поисках ответа на вопрос о новых источниках энергии в глубине материи.
С этой целью одновременно со строительством самого ускорителя (стоимостью свыше 2 млрд долларов) созданы четыре детектора частиц. Из них два больших универсальных (CMS и ATLAS) и два – более специализированных. Общая стоимость детекторов приближается также к 2 млрд долларов. В каждом из больших проектов CMS и ATLAS приняли участие свыше 150 институтов из 50 стран, в том числе российских и белорусских.
Охота за неуловимым бозоном Хиггса
Как работает адронный коллайдер ускоритель? Коллайдер – это крупнейший ускоритель протонов, работающий на встречных пучках. В результате ускорения каждый из пучков будет иметь энергию в лабораторной системе 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), то есть 7×1012 электрон-вольт. При столкновении протонов образуется множество новых частиц, которые будут регистрироваться детекторами. После анализа вторичных частиц полученные данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, волнующие ученых, занимающихся физикой микромира и астрофизикой. В числе главных вопросов – экспериментальное обнаружение бозона Хиггса.
Ставший «знаменитым» бозон Хиггса – гипотетическая частица, являющаяся одним из главных компонентов так называемой стандартной, классической модели элементарных частиц. Назван по имени британского теоретика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Считается, что хиггсовские бозоны, будучи квантами поля Хиггса, имеют отношение к фундаментальным вопросам физики. В частности – к концепции происхождения масс элементарных частиц.
2-4 июля 2012 ряд экспериментов на коллайдере выявили некую частицу, которую можно соотнести с бозоном Хиггса. Причем, данные подтвердились при измерении и системой ATLAS, и системой CMS. До сих пор идут споры, действительно ли открыт пресловутый бозон Хиггса, или это другая частица. Факт в том, что обнаруженный бозон – самый тяжелый из ранее фиксировавшихся. Для решения фундаментального вопроса были приглашены ведущие физики мира: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Энглер и сам Питер Хиггс, теоретически обосновавший в далеком 1964 году существование бозона, названного в его честь. После анализа массива данных, участники исследования склонны считать, что бозон Хиггса действительно обнаружен.
Многие физики надеялись, что при исследовании бозона Хиггса выявятся «аномалии», которые заставили бы говорить о так называемой «Новой физике». Однако к концу 2014 года обработан почти весь массив данных, накопленный за три предыдущих года в результате экспериментов на БАК, и интригующих отклонений (за исключением отдельных случаев) не выявлено. На поверку оказалось, что двухфотонный распад пресловутого бозона Хиггса оказался, по словам исследователей, «слишком стандартным». Впрочем, намеченные на весну 2015 года эксперименты могут удивить научный мир новыми открытиями.
Не бозоном единым
Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.
Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц. Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е=mc². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.
Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.
Вклад белорусских и российских ученых и инженеров в создание БАК
На этапе строительства европейские партнеры из CERN обратились к группе белорусских ученых, имеющих серьезные наработки в этой области, принять участие в создании детекторов для LHC с самого начала проекта. В свою очередь, белорусские ученые пригласили к сотрудничеству коллег Объединенного института ядерных исследований из наукограда Дубна и других российских институтов. Специалисты единой командой приступили к работе над так называемым детектором CMS – «Компактным мюонным соленоидом». Он состоит из многих сложнейших подсистем, каждая из которых сконструирована так, чтобы выполнялись специфические задачи, при этом совместно они обеспечивают идентификацию и точное измерение энергий и углов вылета всех частиц, рождающихся в момент протонных столкновений в БАК.
Белорусско-российские специалисты также участвовали в создании детектора ATLAS. Это установка высотой 20 м, способная измерить траектории частиц с высокой точностью: до 0,01 мм. Чувствительные датчики внутри детектора содержат около 10 млрд транзисторов. Приоритетная цель эксперимента ATLAS состоит в обнаружении бозона Хиггса, изучении его свойств.
Без преувеличения, наши ученые внесли существенный вклад в создание детекторов CMS и ATLAS. Некоторые важные компоненты были изготовлены на минском Машиностроительном заводе им. Октябрьской революции (МЗОР). В частности – торцевые адронные калориметры для эксперимента CMS. Кроме того, завод произвел весьма сложные элементы магнитной системы детектора ATLAS. Это крупногабаритные изделия, требующие владения специальными технологиями обработки металлов и сверхточной обработки. По оценке техников CERN, заказы были выполнены блестяще.
Нельзя недооценивать и «вклад личностей в историю». Например, инженер кандидат технических наук Роман Стефанович ответственен в проекте CMS за сверхточную механику. В шутку даже говорят, что без него CMS не был бы собран. Но если серьезно, то можно вполне определенно утверждать: без него сроки сборки и наладки при требуемом качестве не были бы выдержаны. Другой наш инженер-электронщик Владимир Чеховский, пройдя достаточно сложный конкурс, сегодня отлаживает электронику детектора CMS и его мюонных камер.
Наши ученые участвуют как в запуске детекторов, так и в лабораторной части, в их эксплуатации, поддержании и обновлении. Ученые из Дубны и их белорусские коллеги полноправно занимают свои места в международном физическом сообществе CERN, которое трудится ради получения новой информации о глубинных свойствах и строении материи.
Разогнать Вселенную в адронном коллайдере
Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.
Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: «Наука – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.
На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?
Весь мир состоит из элементарных частиц, которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».
Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего», которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.
Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн. Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.
Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).
«К коллайдеру!»
Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это — ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.
Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.
История создания БАК
Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН), которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.
ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.
В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.
Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).
На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.
«Любопытство – не порок, но большое свинство»
Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.
Цели, которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:
Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.
Чего удалось достичь?
Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса. Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».
Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны. Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон. Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.
Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.
Какие планы?
Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики.
Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны. Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.
Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей. Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.
Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.
[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