Информационный проект «Машина времени в ускорителях будущего»

МКОУ «СОШ №5 г. Ершова Саратовской области»

Информационный проект

Тема: « Машина времени в ускорителях будущего»

Авторы:

Кондратюк Юрий (10 класс),

Умбеткалиев Денис (10 класс).

Руководитель проекта:

Шумеева Юлия Николаевна,

учитель физики.

2016г.

Содержание:

1) Введение.

2) Выявление проблемы.

3) Ускоритель — это самый «зоркий» микроскоп.

4) Из истории ускорителей.

6) КОЛЛАЙДЕР ЕСТЕСТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.

7) Для чего физикам нужны ускорители?

8) Применение ускорителей.

10) Самооценка.

Цель: расширить знания в области физики элементарных частиц.

Задачи: изучить историю создания ускорителей, принципы работы, область применения, проверить гипотезу изобретения машины времени.

Введение.

Человечество всегда интересовало его история и его будущее. Пытаясь постичь окружающий мир люди совершали открытия и даже подвиги. Благодаря этому человечество продвинулось вперед и то, что ещё вчера считалось фантастикой, сегодня уже реальность.

Выявление проблемы.

Один из моих любимых фильмов « Назад в будущее».

Меня всегда интересовал вопрос : « Возможно ли изобрести машину времени в современном мире?» Человечество всегда интересовало его история и его будущее. Люди совершали открытия и даже подвиги. То, что ещё вчера считалось фантастикой, сегодня уже реальность.

3.Ускоритель — это самый «зоркий» микроскоп, придуманный человеком.

Когда мы рассматриваем что-то в обычный микроскоп, мы освещаем предмет и наблюдаем его в рассеянном свете. Но у микроскопа есть физическое ограничение: в него нельзя увидеть объекты размером меньше длины световой волны. Для видимого света это примерно полмикрона (1 мкм = 10–6 м).(на фото: древние бактерии, сохранившиеся в кристалле соли)

Более мелкие объекты позволяет различить электронная микроскопия: вместо света предмет «освещают» пучком электронов и смотрят, как они рассеиваются.(на фото: многомтенная углеродная нанотрубка.)

Чем больше энергия электронов, тем меньше, согласно законам квантовой механики, их длина волны, а значит, мельче детали, которые можно увидеть. Электроны с энергией в несколько килоэлектронвольт позволяют «разглядеть» отдельные крупные молекулы, атомное ядро «видно» на ускорителе при энергии электронов в сотни мегаэлектронвольт, а структуру протона можно изучать, лишь достигнув энергии около 1 ГэВ.

С помощью ускорителей можно разглядеть внутреннее устройство атомных ядер и отдельных элементарных частиц.( на фото : процесс рождения и распада тяжёлых нестабильных частиц)

До этого физики изучали свойства тех частиц, из которых непосредственно сложен наш мир, — электронов, протонов, нейтронов. Но превысив энергию в 1 ГэВ, физики открыли новую, неведомую ранее грань нашего мира. Протоны и нейтроны стали разрушаться, и в столкновениях рождались и распадались новые нестабильные частицы. Чем выше была энергия, тем более тяжелые и удивительные появлялись частицы.

Последовали десятилетия исследований, и постепенно выяснилось, что понять наш мир, изучая только электроны, протоны и нейтроны, — нельзя. Многие из этих нестабильных частиц — вовсе не «лишние»; оказалось, что они определяют строение нашего «обычного» мира. Роль других частиц предстоит выяснить в будущем; возможно, их наличие — отголосок какой-то глубинной симметрии нашего мира, которую физики еще не нащупали,и ответ на вопрос: « Как зарождалась наша Вселенна ?».

4. Из истории ускорителей.

Первые эксперименты с субатомными частицами проводились вообще без ускорителей. Например ,альфа-частицы, возникающие при распаде радиоактивных изотопов, сами собой ускоряются в электрическом поле ядра.

Первый ускоритель(циклотрон),построенный Эрнестом Лоуренсом в 1931 году,умещался на лодони и разгонял протоны всего до 0, 08 МэВ.

К концу 1940-х годов циклотроны выросли до размеров небольшого здания. На фото циклотрон в Университете Беркли в Колифорнии, разгонявший частицы до 100 Мэв.

В 1944 году появились синхротроны. Советский учёный В.И. Векслер придумал как разгонять частицы до энергии в несколько ГэВ.

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом.  в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц .

Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Widerцe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O'Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K.H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.

Магнитное поле держит пучок на орбите. Электрическое поле разгоняет частицы. Энергия, выделяемая при лобовом столкновении двух пучков с энергией Eпучок, равна сумме энергий пучков E=2Eпучок. При столкновении пучка с неподвижной мишенью нам доступны меньшие энергии. Энергия, выделяемая при столкновении идёт на рождение новых частиц! Лишь 20 частиц из 200 миллиардов столкнутся! Столкновение-событие! Что именно произойдёт при столкновении – никто не знает! При столкновении протонов с энергией E >> mc2, рождаются новые частицы. Чтобы понять, что именно произошло, необходимо проследить за ними и измерить их энергию и импульс. Этим занимаются различные детекторы.

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с  рассчитан на энергию протонов 7 ТэВ . Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.

В феврале 2013 года завершился первый этап работы Большого адронного коллайдера. Как оказалось остановка БАКа была вызвана неисправным электрическим соединением между двумя магнитами ускорителя, что повлекло механические поломки и утечку гелия в туннеле. Скрупулезно все изучив, инженеры проекта, гарантируют, что данный инцидент впредь не повторится. Затем начилась обширнейшая программа по ремонту и модернизации абсолютно всех систем коллайдера. 

Двухлетний перерыв в работе LHC на обслуживание и модернизацию заканчился, и уже скоро коллайдер начнет набирать новую статистику. В 2015 году планируется постепенное повышение энергии и интенсивности пучков, а также проверка надежности работы систем ускорителя при разных нагрузках.

Ученые из Стэнфордского университета и Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC американского Министерства энергетики (U.S. Department of Energy, DOE) создали совсем крошечный ускоритель частиц, основным рабочим телом которого является кристалл из кварцевого стекла, длиной всего в пять миллиметров. Несмотря на столь малые размеры, уровень ускорения электронов в таком ускорителе в 10 раз превышает уровень ускорения в существующих на сегодняшний день линейных ускорителях частиц. Согласно статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Nature, разработанная учеными технология станет тем, что позволит создать сверхминиатюрные ускорители частиц и источники различных видов излучения для научных и медицинских целей. 

6. В КОСМОСЕ ОБНАРУЖЕН КОЛЛАЙДЕР ЕСТЕСТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.

У Большого адронного коллайдера (БАК), самого мощного ускорителя частиц, появился космический конкурент естественного происхождения. Протоны, захваченные гравитацией двух массивных звезд, разгоняются в этом естественном ускорителе до энергий, которые сопоставимы, а иногда и превышают, энергии протонов, разгоняемых БАК.

Две звезды, одни из самых массивных звезд, известных людям, формируют звездную систему Эта Киля (Eta Carinae), находящуюся на расстоянии 7500 световых лет от Земли. Эти массивные звезды выбрасывают в окружающее пространство огромное количество энергии и материи, за неделю Эта Киля выбрасывает материю по массе эквивалентную массе Земли.

Протоны, пойманные в звездную ловушку, разгоняются до энергии в 10 ТэВ. Сравнивая это значение с значением 7 ТэВ в БАК, Роланд Уолтер делает вывод: "Эта Киля - это увеличенная версия Большого адронного коллайдера естественного происхождения".

Существование таких естественных ускорителей, разгоняющих протоны до высоких энергий, давно было предсказано в теории. И Эта Киля стала первым практическим подтверждением этой теории. Вполне вероятно, что в ближайшем времени будут обнаружены и другие звездные системы, работающие в качестве ускорителей частиц, и которые являются главными кандидатами на роль генераторов космического излучения.

 Современные гигантские ускорители строятся вовсе не для того, чтобы провести всего лишь какой-то один опыт над элементарными частицами. В современном эксперименте изучается сразу всё, что может произойти с исходными частицами, фактически проводятся сразу десятки и сотни параллельных экспериментов.

Изучение какого-то конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении одного-двух десятков лет — не непрерывно, конечно, а по нескольку месяцев в году (остальное время тратится на обслуживание, модернизацию, устранение неполадок или просто пережидание холодного времени года, чтоб не тратить дорогую электроэнергию). У физиков-ускорительщиков есть даже условная единица измерения — «стандартный ускорительный год», равный 10 миллионам секунд (физики любят подчеркивать, что это примерно в π раз меньше, чем длительность календарного года).

В течение всего этого времени регулярно, с частотой в миллионы раз в секунду, сталкиваются сгустки частиц. Кстати,сгусток (bunch) и пучок (beam) частиц — это не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летают, удерживаемые магнитным полем, вдоль одной и той же орбиты. Весь этот поток частиц образует пучок (а точнее, два встречных пучка, которые движутся по двум разным пересекающимся орбитам). Однако этот пучок не сплошной, а разбит на компактные кучки — сгустки, — следующие друг за другом на одинаковом расстоянии. В результате в точке пересечения двух встречных пучков частицы сталкиваются не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени; а вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц, который пытаются уловить всё, что рождается в столкновениях.

7.Для чего физикам нужны ускорители?
Ученые выяснили, что все во Вселенной состоит из нескольких основных строительных блоков, называемых элементарными частицами и управляется несколькими фундаментальными силами.

Некоторые из этих частиц являются устойчивыми и формируют нормальную материю. Другие, Такие как мюон, имеют мимолетное устойчивое состояние перед распадом. Некоторые, типа Хиггс бозона, как полагают, существовали в течение нескольких мгновений после Большого Взрыва, однако в современной вселенной они отсутствуют.

Огромная сконцентрированная энергия, которая может быть достигнута при столкновении между частицами типа электронов или протонов в ускорителе, может создать условия соответствующие состоянию ранней Вселенной, и сгенерировать частицы, подобные Хиггс бозону на доли секунды, прежде чем они распадутся на обычные частицы. Это будет видно по контрольным следам, оставленным ими среди обычных частиц, которые физики зафиксируют в огромных детекторах, размещенных вокруг мест столкновения на ускорителе. С помощью вычислительной обработки результатов детекции они могут определить свойства новых созданных частиц.

10.Самооценка.

Мы выяснили, что Большой адронный коллайдер - будующая машина времени для микроскопических частиц. Построить машину времени на Земле для макроскопических объектов нельзя, потому что машина времени требует сильных гравитационных полей на достаточно больших расстояниях. На Земле это трудно осуществить. Другое дело, такие эффекты возможны в космосе. Мы живём в интересное время - нам есть что ждать от будущих экспериментов.

Список используемой литературы:

1. А.И.Ахиезер, М.П. Рекало Элементарные частицы. – м.:Наука.1986г

2.Белокуров В.В. Ширков Д.В. Теория взаимодействий частиц. – М.: Наука, гл. ред. Физико-математическая литература, 1986. – 160 с.

3.Магистр-Пресс,2000. –т.4 – Физика элементарных частиц. Астрофизика – 280 с: иллюстр.

4. Современное Естествознание: Энциклопедия: в 10 т. – М.:2000. – Физика элементарных частиц. – 280 с.