В исследовательском проекте по физике на тему "Адронный коллайдер. Путь к апокалипсису или же к светлому будущему?" учащаяся дает определение понятия "адронный коллайдер", изучает его строение и выясняет, насколько его открытие поможет науке продвинуться вперед и узнать что-то новое о возникновении нашей планеты.

Подробнее о работе:

В данной исследовательской работе по физике на тему "Адронный коллайдер. Путь к апокалипсису или же к светлому будущему?" ученица 11 класса рассматривает строение адронного коллайдера, а также рассматривает, как работает и как влияет этот коллайдер на внешнюю среду. В работе описаны основные мифы, связанные с этим устройством и дается их опровержение.

Автор в своем индивидуальном исследовательском проекте по физике об адронном коллайдере привел основные сведения, связанные с изобретением этого устройства и его использованием. Ученые всего мира еще далеки от понимания полной картины окружающего нас пространства. Создание адронного коллайдера поможет науке продвинуться вперед и узнать что-то новое о возникновении нашей планеты.

Оглавление

Введение
1. Адронный коллайдер.
2. Как работает адронный коллайдер?
3. Исследование фактов и мифов про коллайдер.
Заключение
Литература

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 безумных 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. 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, она не имеет экспериментального подтверждения, поэтому ученые решили построить крупнейшую в мире экспериментальную установку –

Большой адронный коллайдер (БАК), ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов, а также для изучения продуктов их соударений. Этот коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров, более чем из 100 стран. Его называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной.

Актуальность. Ученые всего мира еще далеки от понимания полной картины окружающего нас пространства. Создание адронного коллайдера поможет науке продвинуться вперед и узнать что-то новое о возникновении нашей планеты.

Цели. Мне стало очень интересно изучить тему адронного коллайдера и узнать к чему он нас приведёт, к светлому будущему или же к апокалипсису.

Задачи:

1. Изучить адронный коллайдер.
2. Посмотреть как работает и как влияет этот коллайдер на внешнюю среду.
3. Подвести итоги проведенного исследования.

Гипотеза: На мой взгляд, адронный коллайдер приведет нас к светлому будущему.

Большой адронный коллайдер назван «большим» из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 метров; «адронным» – из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, «коллайдером» (англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Идея создания коллайдера появилась ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект? В 1994 проект одобрили. А строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения подземные коммуникации прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера. За годы своей работы ускоритель принес физике ряд открытий. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий.

Основное кольцо ускорителя находится на глубине около ста метров под землей. В 2001 году планировалось потратить на проект 3 млрд. 700 млн. евро для проведения экспериментов. Сегодня на проект потрачено 10 млрд. евро. Столько же стоит построить космическую станцию. Участниками проекта является свыше 22 стран, еще несколько десятков стран, так или иначе, принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере. Запуск Большого адронного коллайдера осуществлен в 2008 году.

Физикам Европейского центра ядерных исследований (CERN) удалось создать и удержать в течение длительного времени антиматерию, что может помочь им разгадать одну из величайших тайн в науке. Ученым удалось воссоздать в вакууме 38 атомов антиводорода, некоторые из которых просуществовали одну десятую долю секунды, что дало ученым достаточно данных для их изучения. Антиводород получали и раньше (впервые удалось двум группам ученых в 2002 году), однако такие атомы мгновенно вступали с атомами обычного вещества в реакцию аннигиляции, приводящей к полному переходу массы в энергию.

«Мы в восторге. Это пять лет тяжелой работы», – признал руководитель эксперимента «Альфа» Джеффри Хангст. Теперь физики намерены получить больше атомов антивещества и удержать их в устойчивом состоянии еще дольше. «Мы хотели бы понять, есть ли какая разница, которая нам пока неизвестна, между веществом и антивеществом». Ученые получили возможность ставить эксперименты в сфере, где раньше могли трудиться только писатели-фантасты.

Материя и антиматерия похожи на близнецов –доброго и злого, они номинально равны, но противоположны по знаку, а потому при встрече уничтожают друг друга. При контакте высвобождается много энергии. Это может показаться странным, но антивещество – нормальное явление в реальной, нефантастической вселенной. Некоторые ученые считают, что антивещество выглядит и ведет себя точно так же, как его обыденный двойник. Создание атомов антиводорода позволит проверить эту гипотезу.

В случае если водород и антиводород окажутся хотя бы чуть-чуть ассиметричны, основы физики будут потрясены. Ранее ученые женевского института уже наблюдали атомы антиводорода, но новые эксперименты дают возможность изучать их более детально. В традиционной физике принято считать, что антивещество выглядит точно так же, как не антивещество. Атомы антиводорода и водорода должны обладать одинаковыми свойствами, например, излучать световую волну одинаковой частоты. В научно-фантастических романах антивещество является наилучшим ракетным топливом.

Женевские физики считают атомы антиводорода «билетом» не только в другие концы галактики, но также в иную математическую вселенную, где «положительное становится отрицательным, а левое – правым». Получение такого количества антивещества является первым шагом к разгадке одного из парадоксов нашего мира.

Согласно общепринятым теориям, в момент образования Вселенной создавалось одинаковое количество вещества и антивещества. По физическим законам они должны были немедленно войти в соприкосновение и уничтожить друг друга с выделением огромной энергии. Однако этого не случилось, и сейчас ученые пытаются понять, куда делось антивещество и какие потенциальные опасности оно несет для нашей Вселенной.

В июле 2012 года, после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере физики ЦЕРНа объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса". Эта частица не имеет электрического заряда и нестабильна. На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.

8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за "теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц".

В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причине практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса.

Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов.

Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок. Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдера состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении.

За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

ATLAS, CMS – является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

ALICE – представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

LHCb – в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц – тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные – один за другим на расстоянии 20 метров.

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:

Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».

Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.

Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.

Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.

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.

Существует множество теорий и мифов о «машине Судного дня», давайте посмотрим  на некоторые из них и сделаем определенные выводы:

Миф 1 «Черная дыра»

Существует предположение, что при столкновении частиц на скоростях, близких к скорости света возможно образование черной дыры, которая поглотит наш мир.  Это утверждение также неверно, потому что для образования черной дыры необходимо сжать объект в миллионы раз. При столкновении частиц в коллайдере, частицы до такого размера не сжимаются. Но даже при образовании микроскопической черной дыры, сила её гравитации ничтожно мала и неспособна разрушить нашу вселенную. Для образования черной дыры необходима энергия 10 в 23 степени. В коллайдере  энергия 10 в 13 степени.

Миф 2 «Антивещество, полученное в коллайдере, уничтожит наш мир»

Согласно современным представлениям у каждой частицы есть античастица. Частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в частицы света - фотоны. Утверждение о том, что антивещество, полученное в коллайдере, уничтожит наш мир» – неверна, так как для получения хотя бы 0,25г антивещества необходима работа коллайдера в течение миллиона лет. Большой адронный коллайдер – это не завод для получения антивещества, невозможно получения антивещества в огромном количестве. Поэтому миф 2 неверен.

Миф 3

Еще один миф уходит корнями в 2011 год. Тогда СМИ рассказали, что экспертам удалось разогнать частицу нейтрино до скорости, превышающей скорость света. Однако потом выяснилось, что подобные результаты были сделаны вследствие погрешности. Сенсация так и осталась на уровне мифа, и пока еще для нас нет скорости, которая была бы выше скорости света.

Таким образом, на основе рассмотренных нами мифов я могу сделать вывод о том, что исследования на БАК не представляют опасности и позволят сделать очередной шаг в открытии фундаментальных законов и в дальнейшем понят полную картину окружающего нас пространства.

1. Большой адронный коллайдер. На квантовом рубеже: Дон Линкольн — Москва, Попурри, 2011 г.
2. Большой адронный коллайдер: Джесси Рассел — Москва, 2012 г.
3. Большой атлас Земли. Большой атлас Вселенной Марко Мажрани, Леопольдо Бенаккио — Москва, БММ, 2006 г.