Коллайдер
Описание
Конкретные оценки (см. эквивалентная энергия) позволяют увидеть огромную разницу между кинетическими энергиями, например, протонов в ускорителе с неподвижной мишенью и со встречными пучками, которые необходимы для рождения частиц большой массы.
Рис. 1. Два типа ускорителей на встречных пучках: а - для частиц, имеющих одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-протон); б - для частиц с противоположными по знаку зарядами и равными массами, т. е. частиц и античастиц (электрон-позитрон, протон-антипротон). |
Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц. Есть две основные схемы реализации коллайдеров (рис. 1). Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов (рис. 1б). В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков (рис. 1а).
Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 1015 в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце и пучки многие часы и даже сутки могут циркулировать в ускорителе без пополнения.
Важной характеристикой коллайдеров является светимость, обозначаемая буквой L (от англ. Luminosity).
Рис. 2. К понятию “светимость”. Два сталкивающихся сгустка частиц (банча) в коллайдере |
Встречные пучки состоят из отдельных сгустков частиц, называемых банчами (от англ. bunch), двигающихся с определенным интервалом (частотой) друг за другом. Рассмотрим два цилиндрических банча одинакового сечения, летящих навстречу друг другу и затем сталкивающихся (рис. 2). Будем считать, что банчи равномерно заполнены частицами и при столкновении полностью перекрываются. В левом банче n1 частиц, а в правом n2. Вначале положим, что на орбите коллайдера банчи сталкиваются один раз в единицу времени. Число взаимодействий N1 в единицу времени между частицами этих двух банчей (т. е. число актов реакций в единицу времени) можно вычислить по формуле (2) из раздела "Сечение реакции", приняв левый банч за частицы-снаряды, а правый - за мишень:
N = jnSl = (n1/S)n2, | (1) |
где - эффективное сечение взаимодействия. Здесь учтено, что плотность потока падающих на правый банч частиц левого банча j = n1/S, а полное число частиц в правом банче (принятом в качестве мишени) n2 = nSl, где n - концентрация частиц в правом банче. Если банчи сталкиваются f раз в единицу времени (т. е. с частотой f), то число актов реакции N будет даваться выражением
| N = f(n1n2/S) = L, | (2) |
где
| L = f(n1n2/S) | (3) |
и есть светимость коллайдера.
Пример. В коллайдере TEVATRON сталкиваются протоны и антипротоны с энергиями 1 ТэВ. Чему равно число актов их взаимодействия в 1 сек, если сечение полного взаимодействия протона и антипротона при этих энергиях = 75 мб, а светимость коллайдера L = 5.1031см-2сек-1.
Используем (2):
N = L = 5.1031 см-2сек-1.75.10-27 см-2 = 3.75.106 сек-1.
Перечень основных коллайдеров дан в таблице.
Ускорители на встречных пучках (коллайдеры)
| Ускоритель (Центр, Страна) | Годы работы | Энергии, ГэВ |
| Электрон-позитронные коллайдеры | ||
| AdA Фраскати, Италия | 1961-1964 | 0.25 |
| ВЭПП II ИЯФ, СССР | 1965–1974 | 0.7 |
| ACO LAL, Орсе, Франция | 1965–1975 | 0.55 |
| SPEAR SLAC, США | 1972-1990(?) | 0.7 |
| ВЭПП-2М ИЯФ, СССР | 1974–2000 | 0.7 |
| DORIS DESY, ФРГ | 1974-1993 | 5 |
| PETRA DESY, ФРГ | 1978–1986 | 20 |
| CESR Cornell University, США | 1979–2002 | 6 |
| PEP SLAC, США | 1980-1990(?) | |
| SLC SLAC, США | 1988-1998(?) | 45 |
| LEP CERN | 1989-2000 | 104 |
| BEPC Китай | 1089-2004 | 2.2 |
| ВЭПП-4М ИЯФ, СССР | 1994- | 6 |
| PEP-II SLAC, США | 1998–2008 | 9(е−), 3.1(е+ ) |
| KEKB KEK, Япония | 1999–2009 | 8(е−), 3.5(е+ ) |
| DAΦNE Фраскати, Италия | 1999- | 0.7 |
| CESR-c Cornell University, США | 2002–2008 | 6 |
| ВЭПП-2000 ИЯФ, Россия | 2006- | 1 |
| BEPC II | 2008- | 3.7 |
| Протон-антипротонные коллайдеры и коллайдеры на тяжелых ионах | ||
TEVATRON | 1992-2011 | 900-980 |
| RHIC BNL, США | 2000- | |
| LHC CERN | 2008- | |
| Электронно-протонный коллайдер | ||
| HERA DESY, Германия | 1992–2007 | 27.5 (е−), 920 (p) |
|
Крупнейшие современные центры, предназначенные для исследования физики элементарных частиц, представляют собой многоцелевые комплексы из нескольких ускорителей, функционально связанных между собой. Хорошим примером такого ускорительного комплекса является ЦЕРН (Женева). Схема комплекса приведена на рис. 3.
Самым крупным ускорителем этого комплекса является Большой Адронный Коллайдер LHC (Large Hadron Collider), на котором сталкивются пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также ядра свинца. Этот ускоритель находится подземном кольцевом туннеле (его периметр 26.7 км) на месте другого недавно действовавшего крупнейшего е+е- - коллайдера. LEP - Large Electron Positron (Collider), ускорявшего электроны и позитроны до энергии 101 ГэВ.
1. Постойте-постойте, а что такое Большой адронный коллайдер?
Туннель Большого адронного коллайдера
БАК был построен в 2008 году организацией CERN (Европейский совет ядерных исследований). Создание самого большого в мире адронного коллайдера обошлось в девять миллиардов долларов. Невероятная длина его подземных туннелей позволяет физикам проводить невероятные эксперименты.
Грубо говоря, чаще всего эксперименты включают в себя разгон заряженных частиц до 99.9999% от скорости света (заставляя их перемещаться по кругу 11000 раз в секунду) и последующее их столкновение при помощи гигантских магнитов. Сложные сенсоры считывают всевозможную информацию, полученную после столкновения этих частиц.
2. Зачем учёным сталкивать частицы?
Информация, полученная одним из сенсоров, в БАК
Огромное количество энергии, которое выделяется после столкновения, заставляет частицы распадаться и в последствии собираться в довольно-таки необычные конструкции. Подобные эксперименты помогают найти недостатки в стандартной модели физики — на данный момент это лучший способ предсказать поведение частиц.
Физикам интересны такие эксперименты потому, что, хоть стандартная модель и считается довольно-таки точной, она всё же неполная. «Она эффективна для предположений, но физики не так уж их любят», — прокомментировал Патрик Коппенбург, ученый, работающий с БАК.
Сильнейший недостаток модели — это то, что она не учитывает силу гравитации (она описывает только три других фундаментальных взаимодействия) и такие понятия, как тёмная материя и тёмная энергия. Она также не очень-то хорошо работает с нынешними теориями о происхождении Вселенной.
Другими словами, стандартная модель физики — это лучшее описание того, как работают вещи вокруг нас. Однако, по словам Коппенбурга, эта теория «точно в каком-то месте ошибочна». Сталкивая частицы в БАК, он и другие учёные пытается найти отклонения от этой модели.
3. Что эти учёные уже обнаружили
Наиболее важным событием за всю историю Большого адронного коллайдера стало открытие бозона Хиггса.
Еще с 1960-х годов считалось, что бозон Хиггса — часть поля Хиггса, невидимого поля, проходящего сквозь пространство и влияющего на все частицы. Согласно предположениям физиков, именно благодаря этому полю у частиц есть масса (или же сопротивление при передвижении).
Физик Брайн Грин писал в своей статье:
«Представьте, что шарик для пинг-понга погрузили под воду. Когда вы пытаетесь погрузить его глубже, то он кажется в разы более тяжелым, чем он был вне воды. Его взаимодействие с водой приводит к увеличению его массы. То же случается с частицами, погруженными в поле Хиггса»
В принципе, никого не удивило открытие бозона и поля Хиггса, ведь все законы стандартной модели указывали на их существование. Загвоздка заключалась в том, что не было прямых доказательств. «Когда мы строили БАК, то надеялись либо обнаружить бозон Хиггса, либо доказать, что его не существует», — комментирует Коппенбург.
В 2012 году, спустя три года экспериментов, физики доказали существование бозона Хиггса. Было высчитано, что сразу после столкновения бозон Хиггса разлагался на другие частицы, следуя определенным закономерностям. Данные, собранные после столкновения протонов, помогли понять и предсказать эти закономерности.
Это открытие невероятно важно: поле Хиггса — краеугольный камень стандартной модели. Благодаря ему, все другие уравнения становятся в разы понятней. Мы смогли обнаружить его спустя 50 лет после того, как его существование было предсказано на бумаге, а это значит, что мы на верном пути в изучении устройства нашей вселенной.
4. Почему БАК снова включают?
Туннели Большого адронного коллайдера
Все эксперименты, что проводились в прошлом, были лишь началом. Спустя несколько лет работы над улучшением магнитов (они ускоряют и контролируют движение частиц) и сенсоров, начнется новая эра: теперь серия экспериментов включает в себя разгон и столкновение частиц, заряд которых будет в два раза больше предыдущего.
Новые столкновения частиц позволят учёным открыть новые (и, возможно, даже большие) частицы, а также изучить бозон Хиггса и его поведение в разных условиях.
«Мы надеемся открыть элементы, не предсказанные стандартной моделью. К примеру, частицы настолько тяжелые, что они не были еще открыты, или же другие типы отклонений», — делится надеждами Коппенбург.
Возможно, к примеру, что бозон Хиггса — это лишь одна из нескольких частиц из механизма Хиггса.
Достаточное количество новой информации, по словам Коппенбурга и других учёных, поможет нам открыть новые частицы и улучшить нынешнюю стандартную модель, позволив ей точно взаимодействовать с тёмной материей, рождением вселенной и другими плохо изученными темами.
5. Собираются ли в будущем создавать ускорители частиц еще больших размеров?
Схема международного линейного коллайдера
Да. Физики надеются со временем построить ускорители гораздо больших размеров, которые позволят разгонять частицы с большой энергией, чем БАК. Это, в свою очередь, позволит открыть новые частицы и даст более чёткое понимание тёмной материи. Длина международного линейного коллайдера, к примеру, будет составлять 32 километра. В отличие от БАК, где частицы разгоняются по кругу, в этом проекте они будут сталкиваться друг с другом напрямую. Проект всё еще рассматривается, но учёные надеются, что такой ускоритель получится построить в Японии, и он начнёт свою работу к 2026 году.
Когда-то всем казалось, что гигантский ускоритель частиц построят и в США. В 1989 году Конгресс даже согласился потратить шесть миллиардов долларов на постройку сверхпроводящего супер-коллайдера. Строить его собирались в Ваксахэчи, штат Техас, длина его туннелей должна была достигать 86 километров. Сила, с которой в нём сталкивались бы частицы, была бы в четыре раза сильней, чем у Большого адронного коллайдера. Но к сожалению, в 1993 году стоимость проекта выросла до одиннадцати миллиардов долларов, и Конгресс решил прикрыть его, несмотря на то, что два миллиарда уже были потрачены на строительство 25 километров туннеля.
Оригинал: Vox
Перевел: Kirill Chernyakov для Newочём
Комментариев нет:
Отправить комментарий