Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Большой адронный коллайдер






    И все же устройством, которое окончательно решит многие из
    упомянутых вопросов, является Большой адронный коллайдер,
    строительство которого близится к завершению возле Женевы
    в Швейцарии в знаменитой ядерной лаборатории ЦЕРН (Евро-
    пейской организации по ядерным исследованиям). В отличие от
    предыдущих экспериментов по обнаружению незнакомых форм
    вещества, в естественном виде существующего в мире, Большой
    адронный коллайдер, возможно, будет обладать достаточной энер-
    гией, чтобы создать эти формы вещества прямо в лаборатории. При
    помощи Большого адронного коллайдера можно будет исследовать
    малые расстояния до 10~19 м, что в 10000 раз меньше протона, а
    также создавать температуры, невиданные со времен Большого
    Взрыва. «Физики уверены, что у природы припасены новые фокусы,
    которые могут обнаружиться в ходе этих столкновений, — возмож-
    но, это будет экзотическая частица, известная под названием бозон
    Хиггса, возможно, доказательство такого чудесного явления, как
    суперсимметрия, а возможно, обнаружится что-либо неожиданное
    и поставит с ног на голову всю физику», — пишет Крис Ллевеллин
    Смит, бывший генеральный директор ЦЕРН, а теперь президент
    Университетского колледжа в Лондоне. Уже сейчас оборудованием
    ЦЕРН пользуются около 7 тысяч специалистов, что составляет
    более половины всех физиков планеты, экспериментирующих с ча-
    стицами. И многие из них будут самым непосредственным образом


    участвовать в экспериментах, проводимых при помощи Большого
    адронного коллайдера.

    Большой адронный коллайдер представляет собой мощную кон-
    струкцию в виде кольца диаметром 27 километров. Размеры этого
    кольца достаточно велики, чтобы окружить многие города мира.
    Туннель коллайдера настолько длинен, что он фактически пересе-
    кает границу между Францией и Швейцарией. Большой адронный
    коллайдер представляет собой настолько дорогостоящее устрой-
    ство, что для его строительства потребовались совместные усилия
    нескольких европейских стран. После запуска коллайдера в 2007 го-
    ду мощные магниты, расположенные вдоль всего кругового туннеля,
    заставят пучок протонов циркулировать со все возрастающими
    энергиями, до тех пор, пока они не приблизятся к 14 триллионам
    электронвольт.

    По мере прохождения частиц по кругу в туннель подается энер-
    гия, увеличивая скорость протонов. Когда пучок в конце концов по-
    падает в цель, происходит колоссальный выброс излучения. Следы,
    образовавшиеся в результате этого столкновения, фотографируют
    при помощи группы детекторов с целью обнаружения новых экзоти-
    ческих субатомных частиц.

    Большой адронный коллайдер — это поистине гигантское
    устройство. В то время как детекторы LIGO и LISA бьют все рекорды
    в плане чувствительности, Большой адронный коллайдер уникален
    уже благодаря своей колоссальной мощности. Его мощные магниты,
    искривляющие пучок протонов в изящную дугу, генерируют поле в
    8, 3 теслы, которое в 160 ООО раз сильнее магнитного поля Земли. Для
    создания такого чудовищного по силе поля физики пропускают ток
    силой в 12000 ампер по ряду витков, охлажденных до температуры
    в -271°С, при которой витки теряют сопротивление и становятся
    сверхпроводниками. В целом на Большом адронном коллайдере уста-
    новлено 1232 магнита, каждый из которых имеет 15 метров в длину.
    Таким образом, магниты расположены вдоль 85 % всей окружности
    коллайдера.

    В туннеле протоны к моменту удара по цели ускоряются до скоро-
    сти, равной 99, 999999 % скорости света. Цели находятся в четырех
    местах по всей длине туннеля. Таким образом, каждую секунду про-
    исходят миллиарды столкновений. Там же расположены гигантские


    детекторы (каждый из которых размером с семиэтажный дом), за-
    дачей которых является анализ следов столкновения и обнаружение
    неуловимых субатомных частиц.

    Как было ранее замечено Смитом, в задачи Большого адронного
    коллайдера входит обнаружение неуловимого бозона Хиггса, пред-
    ставляющего собой последний элемент Стандартной модели, кото-
    рый до сих пор не удавалось обнаружить. Эта задача имеет большое
    значение, поскольку эта частица отвечает за спонтанное нарушение
    симметрии в теориях частиц и дает начало массам квантового мира.
    По предварительным оценкам, масса бозона Хиггса может быть
    115-200 миллиардов электронвольт (для сравнения, масса протона
    около 1 миллиарда электронвольт). (Теватрон, устройство гораздо
    меньших размеров, размещенное в лаборатории Ферми на окраине
    Чикаго, станет, возможно, первым ускорителем, при помощи кото-
    рого удастся заполучить неуловимый бозон Хиггса, при условии,
    что масса этой частицы не слишком велика. В принципе, Теватрон
    может произвести до 10 ООО бозонов Хиггса, если все будет идти, как
    запланировано. Однако энергия генерирования частиц Большого
    адронного коллайдера будет в семь раз больше. При 14 триллионах
    электронвольт Большой адронный коллайдер вполне сможет стать
    «фабрикой» бозонов Хиггса, миллионы которых будут создаваться
    при столкновениях протонов.)

    В задачи Большого адронного коллайдера входит также создание
    условий, невиданных со времен самого Большого Взрыва. В част-
    ности, физики полагают, что изначально Большой Взрыв состоял из
    хаотичного скопления чрезвычайно горячих кварков и глюонов, на-
    зываемого кварк-глюонной плазмой. Большой адронный коллайдер
    сможет произвести такую кварк-глюонную плазму, которая преоб-
    ладала во вселенной в первые десять микросекунд ее существования.
    В Большом адронном коллайдере можно будет столкнуть ядра свин-
    ца при энергии в 1, 1 триллиона электронвольт. В ходе такого мощно-
    го столкновения могут «расплавиться» четыре сотни протонов и
    нейтронов, которые высвободят кварки в эту горячую плазму. Таким
    образом, космология постепенно сможет стать в меньшей степени
    наукой, основанной на астрономических наблюдениях, и точные
    эксперименты на кварк-глюонной плазме будут ставиться прямо в
    лабораториях.


    Можно надеяться, что при помощи Большого адронного кол-
    лайдера удастся обнаружить черные мини-дыры среди остатков,
    образовавшихся в результате столкновения протонов при фантасти-
    чески высоких энергиях, как уже было упомянуто в главе 7. Обычно
    образование квантовых черных дыр должно происходить при энер-

    гии Планка, что в квадриллион раз превышает энергию Большого
    адронного коллайдера. Но если в миллиметре от нашей вселенной
    существует параллельная вселенная, то энергия, при которой воз-
    можно измерение квантовых гравитационных эффектов, снижается,
    благодаря чему создание черных мини-дыр оказывается в пределах
    возможностей Большого адронного коллайдера.

    И наконец, ученые возлагают надежды на то, что при помощи
    Большого адронного коллайдера удастся найти подтверждение
    суперсимметрии, что стало бы историческим прорывом в физике
    частиц. Считается, что эти счастицы являются партнерами обычных
    частиц, которые мы можем наблюдать в природе. Хотя струнная Te-
    ория и суперсимметрия и предсказывают, что у каждой субатомной
    частицы есть «близнец» с отличающимся спином, суперсимметрия
    никогда не наблюдалась в природе, — вероятно, потому, что наши
    приборы не обладают достаточной мощностью для ее обнаружения.

    Подтверждение существования суперчастиц помогло бы дать
    ответ на два наболевших вопроса. Во-первых, верна ли струнная
    теория? Несмотря на то что обнаружить струны прямым путем чрез-
    вычайно сложно, может оказаться возможным обнаружить нижние
    октавы или резонансы струнной теории. Если будут открыты счасти-
    цы, то это станет большим сдвигом в струнной теории, обеспечивая
    ее экспериментальное подтверждение (хотя все же это не будет пря-
    мым доказательством ее истинности).

    Во-вторых, это предоставило бы наиболее вероятного претен-
    дента на роль темного вещества. Если темное вещество состоит из
    субатомных частиц, то они должны обладать стабильностью и ней-
    тральным зарядом (иначе они были бы видимы), а также между ними
    должно быть гравитационное взаимодействие. Все эти три качества
    являются характерными для частиц, которые предсказывает струн-
    ная теория.

    • Когда будет запущен Большой адронный коллайдер, он станет
    самым мощным ускорителем частиц. И все же для большинства физи-


    ков это не предел мечтаний. В 1980-е годы президент Рональд Рейган
    одобрил проект постройки Сверхпроводящего суперколлайдера
    (SSC), гигантской конструкции, достигающей 80 км в окружности.
    Строительство этого ускорителя частиц планировалось произвести
    возле Далласа (штат Техас). По сравнению с Суперколлайдером
    Большой адронный коллайдер показался бы просто крошкой. В то
    время как Большой адронный коллайдер позволяет сталкивать
    частицы с энергией в 14 триллионов электронвольт, по проекту
    Суперколлайдер должен обеспечить столкновения частиц с энерги-
    ей в 40 триллионов электронвольт. Первоначально проект получил
    одобрение, но в последние дни слушаний Конгресс Соединенных
    Штатов внезапно отклонил его. Это стало тяжелым ударом по фи-
    зике высоких энергий и задержало развитие этой области на целое
    поколение.

    Поначалу предметом спора являлись стоимость проекта, состав-
    ляющая 11 миллиардов долларов, и научные приоритеты. Мнения
    представителей научного сообщества по поводу Сверхпроводящего
    суперколлайдера разделились: некоторые физики заявляли, что про-
    ект выкачает средства, которые могли бы пойти на их собственные
    исследования. Спор разгорелся настолько, что даже «Нью-Йорк
    тайме» опубликовала критическую редакционную статью, где гово-
    рилось об опасностях «большой науки», которая может задушить
    «малую науку». (Эти аргументы беспочвенны, поскольку средства
    на строительство Сверхпроводящего суперколлайдера должны были
    поступать из других источников, а не из бюджета «малой науки».
    Реальным соперником проекта была космическая станция, которая
    многими учеными рассматривалась поистине как пустая трата де-
    нег.)

    Но оглядываясь назад, можно сказать, что суть спора сводилась к
    умению говорить с широкой общественностью на доступном языке.
    В некотором смысле, мир физики привык к тому, что строительство
    чудовищных ускорителей частиц получало одобрение со стороны
    Конгресса, поскольку русские строили свои ускорители. В сущности,
    русские строили свой ускоритель УНК (Ускорительно-накопитель-
    ное кольцо. — Прим. перев.), соревнуясь со Сверхпроводящим супер-
    коллайдером. На карту были поставлены честь и престиж нации. Но
    Советский Союз развалился(17), строительство было остановлено, и


    шостепенно ветер перестал надувать паруса программы постройки
    Сверхпроводящего суперколлайдера.

     






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.