Большой Адронный Коллайдер

Оглавление

Введение. 2

1. Определение  адронного коллайдера 3

2.Поставленные  задачи 4

2.1.Проблема  противоречия ОТО и СМ 4

2.2.Изучение  t-кварков 5

2.3.Изучение  механизма электро-слабой симметрии 6

2.4.Изучение  кварк-глюонной плазмы 6

2.5.Поиск суперсимметрии 8

2.6.Изучение  фотон-адронных и фотон-фотонных  столкновений 10

2.7.Проверка  экзотических теорий 10

3.Из истории  адронного коллайдера 11

3.1.Строительство 11

3.2.Испытания 12

4.Технические  характеристики 15

4.1.Процесс  ускорения частиц в коллайдере 15

4.2.Потребление  энергии 16

5.Неконтролируемые  физические процессы 16

5.1.Аргументы  в пользу катастрофического сценария 16

5.2.Аргументы  против катастрофического сценария 17

5.2.1.Сравнение  с природными скоростями и  энергиями 17

5.2.2.Микроскопические  черные дыры 18

5.2.3.Страпельки 22

5.2.4.Машина  времени 23

Заключение. 23

 

Введение.

10 сентября 2008 года был  произведен официальный запуск  Большого адронного коллайдера. По прогнозам создателей данного  проекта, результаты опытов с  БАК должны перевернуть современные  представления о физической картине  мира.

Нами был проведен опрос  среди учащихся 10 класса, в ходе которого были заданы следующие вопросы: Знаете ли вы, что такое БАК? Имеете ли вы представление о целях запуска  БАК?  Когда и кем был запущен  БАК? Знаете ли вы об итогах его запуска? Результаты опроса были такими: всего 5 учащихся класса имеют частичное  представление о БАК.

В связи с недостаточной  осведомленностью большого количества людей о современных достижениях  физики, которые предположительно имеют большое влияние на наше будущее, нам показалось интересным выбрать тему «Большой адронный коллайдер» для научной работы в 10 классе.

Перед нами поставлены следующие  цели и задачи:

1. Познакомиться с устройством БАК
2. Изучит основные физические задачи, которые лежат в основе данного проекта
3. Получить информацию о результатах испытаний БАК

В ходе научной работы мы убедились, что в книжных источниках нет никакой информации, посвященной БАК из-за новизны и противоречивости данного проекта, поэтому основную информацию мы нашли в сети интернет и в ссылках на научные статьи в газетах и журналах.

1. Определение адронного  коллайдера

Большой адро́нный колла́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — 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 (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Большим БАК назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; 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 местах.

2.Поставленные задачи

2.1.Проблема противоречия ОТО и СМ

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля или стандартная модель, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом.

В рамках теории относительности, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО гравитация не является силовым взаимодействием.

Согласно СМ же, 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), 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. Следует заметить, что экспериментального наблюдения кванта этих полей или хиггсовского бозона произведено еще не было.

Эйнштейн многие годы пытался  разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать. Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

Для дальнейшего объединения  фундаментальных взаимодействий в  одной теории используются различные  подходы: теория струн, теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет  часть этих теорий.

2.2.Изучение t-кварков

Ква́рк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом +(2/3)e, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для мистера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц.

 В настоящее время  известно 6 разных «сортов» кварков. К одному из этих «сортов» и принадлежит t-кварк.

t-кварк или истинный кварк (англ. truth) или верхний кварк (англ. top) — кварк с зарядом +(2/3)e, принадлежащий к третьему поколению. Был открыт в 1995 г. в экспериментах на коллайдере Теватрон, который в настоящее время (до запуска Большого адронного коллайдера) является единственным в мире экспериментальным комплексом, где могли появляться t-кварки.

t-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона в БАК — ассоциативное рождение вместе с t-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.

2.3.Изучение механизма электро-слабой симметрии

Одной из основных целей  проекта является экспериментальное  доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1960 году в рамках Стандартной Модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как масса. Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ). На самом деле, физиков интересует не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнёт физиков на новую теорию мира, более глубокую, чем СМ.

2.4.Изучение кварк-глюонной плазмы

Ожидается, что в ускорителе в режиме ядерных столкновений будут  происходить не только протон-протонные  столкновения, но и столкновения ядер свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях  на короткое время образуется и затем  распадается плотный и очень  горячий комок ядерного вещества или кварк-глюонная плазма.

Кварк-глюонная плазма (хромоплазма) – состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме.

  Обычно вещество в адронах находится в так называемом бесцветном («белом») состоянии. То есть, кварки различных цветов компенсируют друг друга. Аналогичное состояние есть и у обычного вещества — когда все атомы электрически нейтральны, то есть, положительные заряды в них компенсированы отрицательными. При высоких температурах может происходить ионизация атомов, при этом заряды разделяются, и вещество становится, как говорят, «квазинейтральным». То есть, нейтральным остаётся всё облако вещества в целом, а отдельные его частицы нейтральными быть перестают. Точно так же, по-видимому, может происходить и с адронным веществом — при очень высоких энергиях, цвет выходит на свободу и делает вещество «квазибесцветным».

Предположительно, вещество Вселенной  находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого Взрыва. Кварк-глюонная плазма может на короткое время образовываться при соударениях частиц очень высоких энергий. Именно такого рода эксперименты будут проводиться на БАК, соответственно там и будет производиться изучение этого уникального вещества.

2.5.Поиск суперсимметрии

Суперсимме́трия — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы (квазичастицы) в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие (или в излучение), и наоборот.

Основная физическая модель современной  физики высоких энергий — Стандартная модель — не является суперсимметричной, но может быть расширена до суперсимметричной теории. Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели называется «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» (МССМ). Первый вариант МССМ предложили в 1981 году американские физики Говард Джорджи и Савас Димопулос.

Достоинства суперсимметрии:

• Решение проблемы иерархии. Одно из её проявлений — величина радиационных поправок к массе бозона Хиггса. В рамках Стандартной модели поправки к массе скалярного поля имеют квадратичную форму и оказываются существенно больше, чем масса поля. Для сокращения таких поправок к массе Хиггса параметры Стандартной модели должны иметь очень точно определённые значения. В рамках МССМ поправки, как к фермионным массам, так и скалярным, имеют логарифмическую форму, и их сокращение происходит более естественно, но требует точной суперсимметрии. Кроме того, данное решение проблемы иерархии предполагает, что массы суперпартнёров не могут быть больше, чем несколько сотен ГэВ. Этот аргумент позволяет ожидать открытие суперсимметрии на коллайдере LHC.
• Унификация калибровочных бегущих констант. Известно, что в калибровочных теориях возникает явление бегущей константы, то есть значение константы взаимодействия изменяется в зависимости от того, на каком энергетическом масштабе наблюдается взаимодействие. Стандартная модель базируется на трёх различных калибровочных группах. Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются. На энергетическом уровне порядка 100 ГэВ две константы становятся одинаковыми (явление электрослабого объединения). На энергетическом уровне 10¹⁶ ГэВ все три константы сходятся примерно к одному значению, но в Стандартной модели они не могут стать равными друг другу. То есть, строго говоря, в рамках Стандартной модели «великое объединение» (электрослабого и сильного взаимодействия) невозможно. Поправки за счёт новых полей МССМ меняют вид энергетической эволюции констант, так что они могут сойтись в одну точку.
• Тёмная материя. За последние годы в астрофизике наблюдаются явления, указывающие на существование тёмной материи. В МССМ естественно возникает кандидат на объяснение этого феномена — нейтралино, нейтральная стабильная частица

По состоянию на начало 2008 года суперсимметрия является физической гипотезой, не подтверждённой экспериментально. Совершенно точно установлено, что наш мир не является суперсимметричным в смысле точной симметрии, так как в любой суперсимметричной модели фермионы и бозоны, связанные суперсимметричным преобразованием, должны обладать одинаковыми массой, зарядом и другими квантовыми числами (за исключением спина). Данное требование не выполняется для известных в природе частиц. Предполагается, тем не менее, что существует энергетический лимит, за пределами которого поля подчиняются суперсимметричным преобразованиям, а в рамках лимита — нет. В таком случае частицы-суперпартнёры обычных частиц оказываются очень тяжёлыми по сравнению с обычными частицами. Поиск суперпартнёров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий. Ожидается, что Большой адронный коллайдер, возобновление работы которого планируется к 2009 году, сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные теории, если ничего не будет обнаружено.

2.6.Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Для начала следует вспомнить  определения фотона и адрона.

Фотон — элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного излучения (в узком смысле − света). Это безмассовая частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Заряд фотона также равен нулю.

Адрон — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными.

Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон - адронные столкновения, так и друг с другом.

2.7.Проверка экзотических теорий

Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций.