Большой адронный коллаидер (БАК) – как работает ускоритель элементарных частиц
Прислано admin May 21 2010 01:09:41
В подземном бункере недалеко от города Женева в буквальном смысле рождается новейшая история мира. На 100 метровой глубине в огромном комплексе, главная часть которого – это кольцевой туннель, окружностью в 27 километров, будут циркулировать пучки из триллионов протонов. Частицы будут разгонять почти до скорости света огромными магнитами и затем сталкивать. Это и есть Большой адронный коллаидер – самый большой и самый мощный из созданных человечеством ускорителей частиц, готовится к пробному запуску (пробный запуск БАК был произведен 10 сентября 2008года – прим.авт.). Над его созданием в течении 14 лет трудились ученые из более чем 50 стран мира. По стоимости этот проект уже назван самым дорогим за всю историю человечества; на его реализацию ушло 10 млрд. долларов.
Виктор Саврин, профессор, координатор участия российских институтов в работе БАК: «[Большой адронный коллаидер] – это прибор, так скажем, … своего рода микроскоп, который позволит разглядеть, так образно говоря, вещество на очень малых расстояниях – 10 в минус 17 степени сантиметра. Таких машин еще небыло, и знания, которые мы получим от туда, те результаты, которые получим – они очень важны для современной физики, и не только физики, а вообще всех наук.»
Сенсационные открытия, которые ожидают благодаря работе БАК, могут дать миру ранее неизвестные виды энергии и топлива. Но больше всего ученые надеются прийти к пониманию устройства Вселенной. От столкновения частиц физики ждут экспериментальных доказательств существования еще более мелких и ранее неизвестных частиц материи. Проще говоря, ускоритель позволит разобрать материю до конца, чтобы понять, из чего она состоит. Как не фантастично это звучит, но коллаидер, как машина времени, позволит ученым увидеть, как выглядела наша Вселенная спустя миллиардные доли секунды после большого взрыва (не стоит забывать, что так называемый «Большой взрыв» - это всего лишь теория, которую стараются описать математическими формулами и функциями из-за наличия неких данных современной физики, как экспериментальных, так и вновь таки – теоретических, которая старается объяснить происхождения частиц материального мира, происхождения Вселенной – прим.авт.)
Игорь Ткачев, член-корреспондент Российской академии наук (РАН), член рабочей группы безопасности БАК: «Много страшилок связано с [работой большого адронного коллайдера]. Я видел утверждения, что, скажем, на большом адронном коллаидере будет моделироваться “Большой взрыв”. Это извращенное толкование» языка, жаргона, физиков. На БАК будут изучатся свойства плазмы при сверхвысоких температурах. Изучение этой плазмы на большом адронном коллаидере имеет такое же отношение к моделированию большого взрыва, скажем, как изучение пламени зажигалки.»
Ученые уверяют: все возможные и самые вероятные риски, такие как Конец света, появление Черных дыр и Антиматерии после запуска огромного ускорителя частиц, просчитаны, и поводов для беспокойства нет.
Виктор Саврин: «Глобальной опасности – [БАК] ничего страшного не представляет, о чем многие пишут: о черных дырах, там, вакуумных пузырях, “кротовых норах”. Вот с этой точки зрения никакой опасности с того, что его запустят, и начнутся эксперименты – нет.»
Как же работает Большой адронный коллаидер, ускоритель элементарных частиц? На видеоролике предоставлена версия схематического изображение его работы. На видео можете видеть обычный баллон со сжатым водородом, но именно с него начинается работа самого крупного и мощного ускорителя в мире.
Атомы водорода строго дозированными порциями подаются в камеру подачи линейного ускорителя, там от них отделяют электроны, оставляя только ядра водорода – это протоны. Они несут положительный заряд, что позволяет придавать им ускорение при помощи электрического поля. Их предстоит столкнуть друг с другом, чтобы выделить большой объем энергии. Эта модель повторяет то, что происходило (как думают многие ученые – прим.авт.) во время Большого взрыва при образовании Вселенной. Эту стадию разгона частиц в линейном ускорители можно сравнить с первой ступенью космической ракеты – на выходе отсюда протоны будут двигаться со скоростью, равной одной трети скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/сек или миллиард километров за час.
Теперь частицы готовы поступить в бустер, или «вторую ступень ракеты». Чтобы максимально повысить плотность потока частиц, их разделяют на четыре части, каждая из которых поступает в отдельное кольцо бустера. Линейное ускорение здесь не эффективно. Здесь применено движение по кругу. Длина пути – 157 метров. Чтобы придать большую скорость, частицы проходят по кругу много раз. При этом на них воздействуют пульсирующим электрическим полем. Магниты же помогают придать частицам нужное направление. Мощное излучение удерживает их на круговой траектории по кольцам. Кольцевой ускоритель разгоняет протоны до 91,6 % скорости света, и собирает их в плотный пучок. После этого частицы из четырех колец собираются воедино, и поступают в протонный синхротрон. Это «третья ступень» нашей «ракеты». Давайте посмотрим, что происходит с двумя такими порциями протонов.
Протяженность синхротрона 628 метров. Это расстояние протоны проходят за 1,2 секунды, разгоняясь до 99,9 % скорости света. Именно здесь, на третей стадии ускорителя элементарных частиц, достигается точка перехода. К энергии движения частиц добавляется энергия электрического поля, но это не приводит к дальнейшему разгону, потому что частицы уже почти достигли максимально возможной скорости света (вообще, на сегодняшнее время максимально возможной скоростью любой частицы вселенной является (чит. - считается) скорость света – прим.авт.). Но в результате такого воздействия увеличивается масса протонов. Если говорить кратко, то протоны не могут ускорятся, а становятся тяжелее. Кинетическая энергия каждого протона измеряется в единицах, которые называются электрон-вольты. На этой стадии энергия каждой частицы равняется 25 миллиардам eV (25млрд. эВ), при этом протоны становятся в 25 раз тяжелее, чем в состоянии покоя.
Затем начинается четвертая стадия — протонный суперсинхротрон. Это огромное 7-ми километровое кольцо. Его задача принять протоны с таким запасом энергии, и увеличить его до 450 млрд. eV. Через некоторое время пучки частиц будут готовы к перемещению в Большой адронный коллаидер. Он расположен в европейских Альпах, на территории двух стран – Франции и Швейцарии.
Глубоко под землей скрыт/находится туннель, протяженностью 27 километров. В нем проложены две вакуумные трубы; по ним, в противоположным направлениям, движутся пучки протонов. При помощи специальных сверхсложных устройств, новые порции протонов поступают в трубы так, чтобы не мешать движению уже загруженных туда пучков. По одной трубе частицы движутся по часовой стрелке, а по другой, логично, что против часовой. Эти две труды пересекаются в четырех местах, где установлены детекторы. Именно здесь можно столкнуть протоны друг с другом. Энергия столкновения в два раза превышает запас энергии каждого протона. Но главное во всем этом то. Что за столкновением протонов следят специальные детекторы. В течении получаса в коллаидер поступают около 2800 порций частиц. Все это время коллаидер придает дополнительную энергию частицам, двигающимся почти со скоростью света. Каждую секунду протоны проходят 27-ми километровый круг более 11 000 раз, постоянно получая импульсы электрического поля. Энергия каждого протона уже составляет 7 тера электрон-вольт. А масса в 7000 раз больше нормальной.
Круговую траекторию частицам придают при помощи магнитного поля. Оно настолько велико, что его электромагниты должны обладать способностью выдерживать электроток силой 12000 ампер. Это достигается за счет охлаждения БАК, в результате которого магниты становятся сверх проводимыми. Теперь протоны готовы к столкновению.
Направляющий магнит обеспечивает необходимую траекторию их движению. Общая энергия двух сталкивающихся протонов – 14 TeV. Этот всплеск можно наблюдать в течении двух секунд после столкновения. Траектории выделившихся в результате столкновения частиц анализируют компьютеры, к которым подключены детекторы. Это может помочь по новому взглянуть на проблему возникновения нашей вселенной, и понять, как она развивается, что происходит с ней сейчас, и что ожидает ее в будущем.