Элементарная вселенная

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Плоские экраны, компактные СВЧ-печи,
компьютерные навигаторы в автомобилях и многое другое-всё
это стало реальным благодаря физике.
Современная техника основана на достижениях,
сделанных в областях физики и химии ещё в первой
половине 20 века.
Открытие электрона полностью изменило нашу жизнь.
Ещё очень долго именно электромагнитные
процессы будут определять наши успехи,
достижения и неудачи в освоении окружающего
мира.
АМЕРИКАНСКИЙ ФИЗИК ЭРНЕСТО ОРЛАНДО ЛОУРЕНС,
СОЗДАТЕЛЬ ПЕРВОГО ЦИКЛОТРОНА (ВНИЗУ). ПОСТРОЕННЫЙ В
1930 ГОДУ ЭТОТ ПРИБОР ЛЕГКО УМЕЩАЛСЯ НА ЛАДОНИ
Устройство циклотрона. 1 — место поступления частиц,
2 — траектория их движения, 3 — электроды, 4 —
источник переменного напряжения. Магнитное поле
направлено перпендикулярно плоскости рисунка
Мать Лоуренса стала первой пациенткой с
онкологическим заболеванием, которую
вылечили с помощью нейтронов, полученных
на циклотроне.
 Произошло это в 1938 году.


Задача ускорителя — разогнать частицы до
большой энергии, столкнуть их друг с другом,
а затем — дать ученым посмотреть, что из
этого выйдет. Однако первоначально целью
физиков было — не разломать атомы и ядра,
а разглядеть их «внутреннее устройство».
Ускоритель, словно микроскоп, позволяет
увидеть чрезвычайно мелкие детали строения
вещества.
Когда мы рассматриваем маленький предмет
в микроскоп, мы освещаем его и наблюдаем,
как свет отражается или рассеивается на
предмете.
 Но у микроскопа есть физическое
ограничение: в него нельзя увидеть объекты
размером меньше длины световой волны.
Для видимого света это примерно
полмикрона.

Более мелкие объекты позволяет различить
электронная микроскопия: вместо света
предмет« «освещают» пучком электронов и
смотрят, как они рассеиваются.
 Чем больше энергия электронов, тем меньше
их длина волны, а значит, мельче детали,
которые можно увидеть.

Энергия в несколько килоэлектронвольт
позволяет« «разглядеть» отдельные крупные
молекулы.
 Атомное ядро «видно» только на ускорителе при
энергии электронов в сотни мегаэлектронвольт,
а структуру протона можно изучать, лишь
достигнув энергии около 1 ГэВ.
 Энергия в 1 электрон-вольт равна 1,610-19 Дж.

БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР
Главная задача ускорительных экспериментов
сегодня — разогнать частицы до максимально
высокой энергии и проникнуть в мир тяжелых
частиц.
 Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе
позволит изучить неведомый ранее мир
частиц с массой около 1 ТэВ.

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ



Доктор Питер Хиггс придумал свою теорию
«отягощающего поля» в 1964 году.
Преподавая в Эдинбургском университете, Хиггс
заинтересовался Стандартной моделью и
сформулировал свою теорию незримого поля,
состоящего из бозонов — частиц, почти целиком
состоящих из массы.
К некоторым частицам бозоны «прилипают»,
увеличивая их вес, а другие частицы — например,
фотоны света — свободно пролетают мимо, никак не
обременяя себя.




Поначалу все физики отнеслись к работе Хиггса более чем
скептически.
Редакторы Physics Letters и European Physics Journal вернули
ему текст статьи с припиской: «Сожалеем, но все это не
имеет очевидного отношения к науке».
Только американский American Physics согласился
опубликовать работу преподавателя, да и то в урезанном
виде.
После того, как бельгийские физики Робер Бру и Франсуа
Энглер пришли к аналогичным выводам о природе
появления массы, Хиггса стали воспринимать всерьез.



Гонка за бозоном Хиггса началась уже в конце 70-х, и
никто не сомневался, что ее выиграют США:
американцы тогда решили построить настоящий
суперколлайдер SSC длиной в 97 км — в три раза
больше европейского.
Но строительство надолго затянулось, расходы в два
раза превысили первоначальную смету, и конгресс
США в 1993 году прекратил финансирование
эксперимента.
Теперь, говорят, в недостроенном 97-километровом
«бублике» выращивают шампиньоны.



В июле 2012 года специалисты CERN объявили об
открытии новой частицы, в которой узнали бозон
Хиггса.
Это открытие дополнило так называемую стандартную
модель— главную теорию физики элементарных
частиц, достоверность которой до сих пор так не
удалось опровергнуть.
Знания о продукте распада бозона Хиггса
чрезвычайно важны как для сторонников
Стандартной модели, так и для тех, кто ищет следы
новой физики.
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ


Нобелевская премия по физике 2013 года присуждена
британскому ученому Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа
Энглеру за теоретическое обоснование существования
бозона - частицы, благодаря которой остальные
элементарные частицы обретают массу.
Бозона Хиггса (или "частица Бога" – отсутствующий элемент
в основной теоретической конструкции в физике
элементарных частиц, известной как Стандартная модель.)
84-ЛЕТНИЙ БРИТАНЕЦ ХИГГС ЯВЛЯЕТСЯ ПОЧЕТНЫМ
ПРОФЕССОРОМ УНИВЕРСИТЕТА ЭДИНБУРГА, А 80-ЛЕТНИЙ
БЕЛЬГИЕЦ ЭНГЛЕР – СОТРУДНИК БРЮССЕЛЬСКОГО
СВОБОДНОГО УНИВЕРСИТЕТА.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР LHC (LARGE HADRONIC COLLIDER) — ГЛАВНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ДЕСЯТИЛЕТИЯ. С НИМ СПЕЦИАЛИСТЫ СВЯЗЫВАЮТ
НАДЕЖДЫ НА НОВУЮ РЕВОЛЮЦИЮ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР



Большой адронный коллайдер построен на 100-метровой
глубине под границей Франции и Швейцарии.
Он представляет собой 27-километровый кольцевой
туннель, в котором установлен ускоритель заряженных
частиц в виде гигантской трубы.
Целью исследований было запустить пучки протонов в
разные стороны, разогнать их до огромных скоростей,
близких к световым, после чего часть из них столкнется
между собой с энергией 14 тераэлектронвольт. При таких
энергиях должны рождаться новые элементарные
частицы.
У ФИЗИКОВ ЕСТЬ ТРАДИЦИЯ: КАЖДЫЕ 13,7 МИЛЛИАРДОВ ЛЕТ ОНИ СОБИРАЮТСЯ
ВМЕСТЕ И СТРОЯТ «БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР».
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР



Характеристики LHC впечатляют. В каждой из двух кольцевых труб длиной
27 километров будет циркулировать протонный пучок, состоящий из 2
808 сгустков по 100 миллиардов протонов в каждом. Его поперечник
0,03 мм, а суммарная масса всех протонов в пучке меньше 1
нанограмма (10-9 г) — легче пылинки, но в них запасена чудовищная
энергия: 300 мегаджоулей, что сопоставимо с кинетической энергией
самолета или 100 кг тротила.
Предусмотрены все возможные меры безопасности, начиная от системы
слежения за пучком и заканчивая специальным« «аварийным выходом»
для него: в случае дестабилизации пучка специальные магниты в
считанные доли миллисекунды уведут его по длинному туннелю в бункер,
где он поглотится огромной графитовой мишенью.
Еще большая энергия — 10 миллиардов джоулей — запасена в
нескольких тысячах сверхпроводящих магнитов, работающих при
температуре лишь на два градуса выше абсолютного нуля.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР




При этой температуре жидкий гелий, используемый для
охлаждения, становится сверхтекучим и у него резко повышается
теплопроводность, что помогает охлаждать установку.
Все эти магниты уже смонтированы и в целях безопасности
тестируются на «выживание» в разных нештатных ситуациях.
Несмотря на огромные размеры и энергии, LHC является
чрезвычайно точным прибором. Достаточно сказать, что для его
успешной работы придется принимать во внимание и положение
Луны и Солнца. Вызываемые ими приливы в литосфере
ежедневно поднимают и опускают окрестности Женевы на 25 см.
В результате периметр ускорительного кольца меняется примерно
на один миллиметр, а это будет приводить к небольшим
изменениям энергии пучков.
ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ
ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ
ПРИМЕНЕНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ



В мире сейчас насчитывается примерно 17 тысяч
ускорителей. Но лишь около сотни из них используются в
научных целях. Остальные — это компактные
низкоэнергетические ускорители, половина из которых
работает на благо медицины.
Адронная терапия позволяет с миллиметровой точностью
выжигать глубокие опухоли без существенного
воздействия на остальные ткани.
При торможении в веществе протоны выделяют основную
часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная
глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию
пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали
внутрь опухоли.
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ



Чувствительность детекторов высокоэнергетических
фотонов, применяющихся в ускорительных
экспериментах, на порядки выше, чем у обычной пленки.
На их основе удалось создать малодозные цифровые
рентгенографические установки, которые сейчас получили
повсеместное распространение.
При низкой дозе облучения они обладают очень высоким
пространственным разрешением и совершенно
недостижимым на обычных пленках количеством
градаций яркости. Благодаря этому на одном и том же
снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать
структуру и костей, и мягких тканей.
БУДУЩЕЕ…



Фундаментальные исследования в области физики
элементарных частиц служат в первую очередь для
расширения наших знаний о Вселенной, а не для
непосредственного практического применения.
Однако ядерная физика и ускорительная техника давно
уже на службе у людей.
Медики работают совместно с физиками, инженерами и
программистами: ядерно-магнитный резонанс,
спиральная компьютерная томография, позитроная
эмиссионная томография показывают то, что происходит
внутри человека без хирургического вмешательства.
БУДУЩЕЕ…



LHC способен создавать бозоны Хиггса в большом количестве, но не
удобен для их исследования: в нём производится столкновение протонов,
а они — составные частицы. Протоны состоят из трёх кварков, склеенных
глюонным полем. При скоростях, близких к скорости света, протоны
представляют собой потоки кварков и глюонов. Так что их столкновение
— процесс сложный.
В соударении участвуют далеко не все частицы из этого потока,
следовательно, бóльшая часть энергии протона рассеивается впустую.
Выбитые при столкновении кварки не могут существовать отдельно, и за
счёт энергии удара рождается множество новых частиц — адронов.
Этот процесс исследовать экспериментально непросто. «Каша» новых
адронов мешает регистрировать очень редко рождающийся и
распадающийся бозон Хиггса и тем более проводить точные измерения.
Физики называют такой эксперимент «грязным».
БУДУЩЕЕ…



Поэтому необходим ускоритель, оптимизированный под
получение и точное исследование бозонов Хиггса —
«хиггсовская фабрика».
Очевидно, что сталкивать в нём надо частицы, не
имеющие внутренней структуры: и энергетически
выгоднее, и много лишних частиц не появится. На эту роль
претендуют электрон-позитронный (ЭПК), мюонный и
фотонный коллайдеры, каждый из которых имеет
достоинства и недостатки.
И хотя в них бозоны станут рождаться в 10—100 раз реже,
чем на LHC, эксперименты будут «чистыми», позволяя
надёжно регистрировать бозон Хиггса.
ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОГО КОЛЛАЙДЕР
(ЛЭПК) БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ.


В линейном ускорителе электронные и позитронные
пучки ускоряются на двух встречных прямолинейных
участках, потери на излучение при этом невелики, что
позволяет сильно поднять энергию частиц.
Недостаток линейного коллайдера в том, что пучки
сталкиваются однократно и лишь малая доля частиц
участвует во взаимодействии, остальные
сбрасываются в поглотитель. Частично это
компенсируют существенно более точной по
сравнению с циклическим ускорителем фокусировкой
пучков в области столкновения.
ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОГО КОЛЛАЙДЕР
(ЛЭПК) БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ.
Несмотря на последствия недавнего
землетрясения, Япония предложила разместить
у себя коллайдер и покрыть половину расходов
на строительство.
 Предварительно рассматривали две площадки в
монолитных горных участках, которые считаются
сейсмически неопасными: в горах Сэфури на
острове Кюсю либо в горах Китаками на
острове Хонсю.

ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОГО КОЛЛАЙДЕР
(ЛЭПК) БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ.

В итоге выбор пал на Китаками. По
оптимистичным планам строительство
ускорителя может начаться в 2016-м, а в
эксплуатацию он войдёт в 2026 году.
Спасибо за внимание!!!
Автор-составитель:
Коцелап Ю.М.,преподаватель физики
Новосибирский автотранспортный колледж
2014 год

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Хиггс открыт. Что дальше?
Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов
Http://www.nkj.ru/archive/articles/23220/
2.
http://www.interfax.ru/world/333403
3. Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук
«Столкновение на встречных курсах»
http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3964/
4.Вокруг света № 10, 2003г.
Ускоряй и властвуй. Как поймать «божественную частицу»