«Ускорители элементарных частиц. Lhc.»
| Вид материала | Документы |
- Реферат скачен с сайта Средней Школы №76, города Санкт-Петербурга, 401.68kb.
- Лекция 17. Элементарные частицы >17. 1 Виды взаимодействий элементарных частиц, 319.98kb.
- План работы. Физика элементарных частиц. Величины в фэч и их единицы измерения, 793.04kb.
- Программа «физика ядра и элементарных частиц» по направлению подготовки 011200 «Физика», 24.54kb.
- Превращение энергии гравитационного колебания “элементарных” вещественных частиц, 86.72kb.
- Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика ядра, 32.88kb.
- Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и радиационной обстановки, 318kb.
- Доклад на тему: «Современная наука о космосе», 42.15kb.
- Научно-исследовательская работа по направлениям, темам Физика элементарных частиц,, 1378.62kb.
- Реферат по Концепциям Современного Естествознания на тему: «Элементарные частицы, 273.55kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Факультет Управления и экономики высоких технологий
Институт международных отношений
Реферат на тему:
«Ускорители элементарных частиц. LHC.»
Подготовила студентка
Группы У4-03
Машкова Ксения
Москва 2011
Введение 3
1. Элементарные частицы. Ускорители 4
2. Ускоритель частиц 7
3. Основные принципы 8
4. Линейные ускорители 10
5. Циклические ускорители 13
6. Ускорители со встречными пучками 18
7. Электронные накопители 21
8. Ускорители в медицине 23
9. Устройство LHC 24
10. ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований 36
Заключение 40
Список используемой литературы 41
Введение
Большой адро́нный колла́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран.
Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.
В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.
Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.
Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.
БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.
1.Элементарные частицы. Ускорители
Исторически термин элементарные частицы был введен для тех частиц, которые считались неделимыми и бесструктурными, и из которых построена вся материя.
В современной физике этот термин употребляется менее строго - для обозначения большой группы "мельчайших частичек материи", не являющихся атомами и атомными ядрами (единственным исключением является протон.)
В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны , нейтрино трех типов (электронное, мюонное и - нейтрино), странные частицы (K - мезоны, гипероны ), огромное количество разнообразных резонансов, мезоны со скрытым очарованием (J/, ) и др. "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (), "красивые" частицы, промежуточные векторные бозоны (W, Z0) - число таких частиц продолжает расти - (открыто 1000) и, скорее всего, неограниченно велико.
Большинство перечисленных частиц, строго говоря, не удовлетворяют критерию элементарности, т.к. являются составными объектами. В соответствии со сложившейся практикой термин "элементарные частицы" употребляется для обозначения всех субъядерных частиц. При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин истинно элементарные или фундаментальные частицы. При этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых частиц (например, кварки) оказалось необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных элементарных частиц).
Изучение элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой (возможно единственный) путь к пониманию фундаментальных законов природы.
Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей.
В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные.
В кольцевых ускорителях, вдоль всего кольца, в котором, движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца. пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. В линейном ускорителе (принципиальная схема которого приведена на Рис. 7), напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.)
Один из самых больших действующих линейных ускорителей (SLAC) расположен в Станфорде (вблизи Сан-Франциско, США). На Рис. 8 показан один из рабочих моментов в туннеле этого ускорителя в подготовительной стадии эксперимента.
Эффективность на единицу длины у протонных кольцевых ускорителей больше, чем для электронных. Это связано с тем, что электроны, будучи более легкими, более интенсивно излучают так называемое синхротронное излучение. Чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, нужно уменьшать центростремительное ускорение разгоняемой частицы, а для этого необходимо увеличивать радиусы ускорителей.
После того, как частицы разогнались до необходимой энергии, их пучок направляют на мишень, в которой, сталкиваясь с ядрами вещества, частицы пучка рождают новые частицы. С помощью специальных магнитов (заряженные) частицы, вылетевшие из мишени, формируются во вторичные пучки, которые направляются в установки, детектирующие эти частицы и их взаимодействия.
В последние годы все большее значение приобретают такие ускорители, в которых разогнанные частицы сталкиваются не с неподвижной мищенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом таких ускорителей (коллайдеров) является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц.
Трудности современного этапа в изучении фундаментальных взаимодействий связаны с двумя главными факторами.
Во-первых, строительство новых ускорителей чрезвычайно "дорогое удовольствие" - они обходятся в десятки миллиардов долларов.
Во-вторых (и это самая главная трудность), что в земных услових самый мощный ускоритель, который человечество в принципе могло бы построить, позволит достичь лишь энергий 107 ГэВ. (1 Гэв = 109 эВ). Тогда как для проверки выводов, скажем, теории суперструн необходима энергия 1019 ГэВ. (Оценки показывают, что для разгона частиц до гораздо "более скромных" энергий 1015 ГэВ при самой смелой экстраполяции современных технологических возможностей необходимо иметь ускоритель с линейными размерами в несколько световых лет!)
Поэтому становится все более очевидным, что Вселенная, это единственный ускоритель, который когда-либо мог производить частицы с энергиями, достаточными для проверки выводов т.н. единых калибровочных теорий и которым мы можем пользоватся практически бесплатно! Людям нужно лишь научиться правильно обрабатывать результаты уже "поставленного эксперимента."
С этой точки зрения гораздо большие усилия в обозримом будущем следует тратить не на построение новых суперускорителей (хотя они, конечно, также нужны), а на исследования в т.н. нейтринной астрономии, направленной на регистрацию реликтовых нейтрино, т.е. нейтрино, рожденных в самые первые минуты жизни Вселенной.