Учебно-исследовательская работа

Введение: В работе описывается Стандартная модель, ее элементы и взаимодействия, и то каким образом Большой адронныйколлайдер поможет в ее подтверждении ее истинности.

Актуальность:Одним из самых ярких и важных последних новостей в мире физике является подтверждение существования Бозона Хиггсана большом адронномколлайдере. Это открытие заставило всех ведущих физиков мира вернуться к обсуждению Стандартной модели, которая на сегодняшний день является ведущей теорией о строении мира. Моя работа является попыткой разобраться в том, что и как собственно и было открыто на большом адронномколлайдере.

Цель работы: рассмотреть стандартную модель, ее составляющие и оценить важность открытия Бозона Хиггса, и большого адронногоколлайдера как инструмента в самых современных физических исследованиях.

Глава 1.Что такое Стандартная модель

1.1Cтандартная модель – теория строения Вселенной

Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, силы и механизмы взаимодействия между ними.

Еще с древнейших времен, люди задавались вопросом, что будет, если дробить, например, частицы песка, ведь под микроскопом эта самая маленькая частичка выглядит как глыба. Задавая такие вопросы, ученые поняли, что Вселенная состоит из различных комбинаций исходных субстанций. Возникает вопрос, а можно ли разделить элементы чтобы получить, например, самую маленькую частицу кислорода? Оказалось что можно, и более того, у каждой частицы есть своя мельчайшая единица. Учёные назвали их атомам.

Приблизительную структуру удалось определить Эрнесту Резенфорду. Он выяснил, что атом в чем-то напоминает солнечную систему. Он доказал, что в атоме есть равное с протонами количество электронов. Также есть нейтроны, которые плотно соединены с протонами и образуют ядро. Вокруг ядра вращаются электроны. Кроме этого ученые выяснили, что протоны обладают положительным зарядом, а электроны отрицательным.

В 1940-1950 годах в ходе изучения космических лучей ученые обнаружили частицы, которые явно не вписывались в схему, содержащую только протоны, нейтроны и электроны и атомы. Им удалось открыть чуть меньше сотни новых частиц, которые имели сходство с протонами, нейтронами и электронами, но все-таки отличались от них. Физики «начали чесать затылок».

Они занимались этим до 1964 года. В том году высказали интересную мысль: возможно фундаментальные частицы на самом деле не настолько уж фундаментальные, и они могут состоять из более мелких частиц. Эти частицы назвали кварками.

1.2. Составные элементы Стандартной модели

1.2.1.Кварки

Первоначально предполагалось, что существует всего три кварка, но сегодня известно уже 6: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Из верхнего и нижнего состоят все протоны и нейтроны. Оставшиеся кварки необходимы, чтобы полностью объяснить обилие частиц, обнаруженных в ходе экспериментов. Конечно, возможно, что кварки состоят из еще более мелких частиц. Это один из тех вопросов, на который может пролить некоторый свет БАК (большой адронныйколлайдер).

Чтобы понять суть кварков, необходимо обратиться к действующим в природе силам. Существует 4 вида взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Сильное удерживает составные части ядра вместе, а слабое управляет процессами радиоактивного распада. Кварки имеют не только электрический заряд, от которого зависят электромагнитные сила, но и еще один тип заряда, который управляет сильным взаимодействием. Именно это взаимодействие удерживает кварки в составе протонов и нейтронов и предотвращает распад ядра.

Этот заряд называется «цветом». Этот термин используется из-за удобной аналогии: если мы возьмем лучи синего, красного и зеленого цвета и направим в одну точку, получится белый, или не имеющий никакого цвета. И кварки тоже имеют свои цветовые заряды и если взять три кварка (с разными цветовыми зарядами) и объединить их в протон, то цветового заряда в нем не будет.

Никому не удавалось наблюдать кварки т.к. невозможно извлечь кварк из атома. Это следствие сильного взаимодействия. Чем больше мы тянем его, тем больше сил для этого требуется (как пружина). И если приложить слишком большое усилие, то «пружина» лопается, когда это происходит, кварк теряет связь в другими кварками и «улетает».

1.2.2.Лептоны

Электрон, как и кварк, считается фундаментальной частицей. Электроны имеют электрический заряд, как и кварки, но в них нет цветового заряда. Из-за этого у них отсутствует сильное взаимодействие, и они обладают большой свободой. Известно, что у верхнего и нижнего кварков есть по две дополнительные копии. Такие копии есть и у электронов. Ученые открыли две дополнительные частицы: мюон и тау-частица. Они имеют схожие характеристики с электроном, но большую массу. Схожие с электроном частицы называются «лептонами». Существуют и другие лептоны, не пользующиеся такой известностью.

В начале 1900-х годов шли исследования радиоактивности (распад атомного ядра элемента и превращения его в другой элемент). При этом был обнаружен тип радиоактивности, который обескуражил физиков. Причиной стали изменения, происходящие с энергией в процессе распада. Было установлено, что энергия после распада оказывалась ниже, чем до распада, а это противоречит закону сохранения энергии.

В 1930 году, Вольфганг Паули предложил теорию, что процессе радиоактивного распада испускается электрически нейтральная частица, имеющая очень маленькую массу. Эту частицу назвали «нейтрино». В 1956 году было экспериментально подтверждено существование нейтрино. В процессе распада нейтрино уносило с собой часть энергии. Паули говорил только об одном типе нейтрино, но эксперименты показали что их есть несколько типов (на данный момент найдено 3 типа):тау-нейтрино, мюоное нейтрино и электронное нейтрино.

1.2.3.Бозон Хиггса.

История нашего понимания возникновения массы довольно сложна. Она началась в 1960-х годах, когда группа молодых физиков задалась вопросом, не могут ли электромагнитное и слабое взаимодействие быть двумя сторонами одной монеты.

В начале 1960-х годов физике еще не знали, что слабое взаимодействие возникает в результате обмена частицами, как это происходит при электромагнитном взаимодействии, которые вызывается обменом фотонами. Зная, на каком расстоянии проявляет себя слабое взаимодействии, физики смогли рассчитать массу этих частиц-переносчиков, если они в действительности существуют. В результате выяснилось, то такие частицы должны иметь массу, в сто раз превышающую массу протона. Для того времени это казалось немыслимым, да и сегодня в подобное трудно поверить. С учетом того, что фотоны не имеет массы, цель объединения электромагнитного и слабого взаимодействия могла показаться практически невыполнимой.

И тогда физики пошли на упрощение предпосылок. Давайте предположим, что масса переносчика слабого взаимодействия равно нулю так же, как и у фотона. Что тогда произойдет? В результате титанических усилий удалось доказать, что электромагнитные силы и почти правильная версия слабого взаимодействия могут быть описаны одним и тем же уравнением. Одновременно это уравнение предсказало открытие еще четырех частиц, не имеющих массы, которые должны переносить электрослабое взаимодействие в его новом понимании. Физики предсказали открытие тяжелых частиц (W- и Z- бозонов) являющихся источником слабого взаимодействия. Они были обнаружены в 1983 году, что стало подтверждением теории.

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс, воспользовавшись догадкой Филлиппа Андерсона, предположил, что вся Вселенная заполнена новым видом поля. Оно получило название поля Хиггса. Но для чего же нужно это поле Хиггса и чем оно интересно? И, главное, как оно может решить проблему появления массы у частиц?

Поле Хиггса является дополнительным условием к более простой теории точно так же, как сопротивление воздуха является дополнением к гравитации при описании падения предметов. Основная идея состоит в том, что различные частицы реагируют на поле Хиггса по-разному. Чем массивнее частица, тем более активно она взаимодействует с полем Хиггса, а на не имеющий массы фотон оно вообще никак не влияет. На самом деле частицы массивны как раз потому, что они взаимодействуют с полем Хиггса. Именно это взаимодействие придает им массу.

Подобно тому, как сопротивление воздуха создает силу, препятствующую падению парашютиста, но почти не мешающую соколу, поле Хиггса придает массу взаимодействующим с ним частицам и не придает тем, которые на него не реагируют.

Следующий и еще более важный вопрос гласит: « Почему мы должны верить, что так оно и есть?» Это хороший вопрос, так как гипотеза Хиггса еще не доказана. Даже первая работа Хиггса на эту тему, датированная 1964 годом, была отвергнута, так как не предсказывала ничего нового и лишь после того, как в конце он добавил одну фразу, работа была принята научной общественностью. В этой фразе говорилось, что если поле гипотетически существует, то из этого следует одно предположение, которое может быть доказано экспериментально. Хиггс предсказал открытие новой частицы.

Чтобы лучше понять суть бозона Хиггса я воспользуюсь аналогией. Ну например электрическое поле. Если вы потрете воздушный шариок о рубашку, а затем проведете над ним рукой, то почувствуете, как волосы на руке поднимаются под воздействием электрического поля. Это поле заполняет пространство между рубашкой и рукой. И это поле в свою очередь состоит из бесчисленного множества фотонов. Аналогичным образом, если поле Хиггса существует, то должны быть и соответствующие частицы Хиггса. Эту гипотетическую частицу называют бозоном Хиггса.

Согласно предсказанию бозон Хиггса должен обладать довольно специфическими качествами. Он электрически нейтрален. У него нет ни размеров, ни внутренней структуры, но он обладает массой. Отсутствие структуры означает, что, по нашим представлениям, в нем нет более мелких частей. Ранее мы уже говорили, что подобные частицы называются фундаментальными. Кроме того, бозон Хиггса представляет собой скалярную частицу, то есть у него отсутствует спин (собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу).

Но если такая частица существует, как ее можно обнаружить? Подобно всем короткоживущим частицам она не поддается непосредственному наблюдению, но зато можно проследить за продуктами ее распада, обладающими более продолжительным временем жизни. Несмотря на то что Бозон Хиггса никто и никогда не наблюдал, ученные способны предсказать многие его свойства. Например, можно утверждать, что бозон Хиггса должен, как правило, распадаться на две частицы, имеющие противоположные электрические заряды. Далее, поскольку этот бозон изначально связан с понятием массы, в ходе его распада должны, как правило, рождаться максимально тяжелые частицы. Так, например, чтобы получить в результате два истинных кварка по 175 гигаэлектронвольт, для начала необходимо иметь, по меньшей мере, 350 гигаэлектронвольт. Почему же для измерения массы частицы используется такая единица, как электронвольт, а не килограммы? Один электронвольт- это количество энергии, приобретаемое электроном при разгоне в электростатическом поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Поскольку Эйнштейн доказал, что масса и энергия эквивалентны, мы можем смело использовать такую единицу, как энергия для описания массы.

Ученые полагают, что бозон Хиггса предпочитает взаимодействовать с тяжелыми частицами. В связи с этим они считают, что он будет распадаться на самые тяжелые частицы, какие только возможно. Например, если масса бозона Хиггса превышает 350 гигаэлектронвольт, то в результате распада он может произвести истинный кварк и истинный антикварк. Если его масса выше 182 гигаэлектронвольт, то при распаде образуется пара Z- бозонов и т.д.

С учетом того, что прелестный кварк, бозоны W и Z, а также истинный кварк являются самым вероятными частицами, на которые может распадаться бозон Хиггса можно задать вопрос: каким образом эти дочерние частицы могут быть обнаружены с помощью детекторов. Ведь мы никогда не увидим бозон Хиггса, а можем только сделать вывод о его существовании на основании продуктов распада. Все дело в том, что и эти дочерние частицы тоже распадаются. Истинный кварк в 100% случаев распадается на прелестный кварк и W- бозон. А значит, что любой детектор БАКа, на котором мы собираемся обнаружить бозон Хиггса должен быть способен регистрировать W- и Z- бозоны и прелестные кварки.4 июля 2012 года ЦЕРН объявил о нахождении частици по свойствам совпадающую с Бозоном Хиггса и в феврале 2013 официально объявлено о том, что эта частица-Бозон Хиггса.

Таблица отображающие компоненты Стандартной модели(существование бозона Хиггса уже подтверждено).

1.3.Взаимодействия элементов Стандартной моделей.

В общем виде можно сказать что сила – это то, что управляет движением частиц. Сила может притягивать и отталкивать и еще множество чего, но ввиду такого обилия сил лучше говорить не о них, а о «взаимодействиях». В настоящее время известно четыре вида взаимодействий

Гравитационное, дающее нам возможность ходить по земле и управляющее движением небесных сил.

Электромагнитное. С его помощью объясняются такие явления, как электричество, магнитные силы, свет, и все хим. реакции.

Сильное отвечает за поддержание ядра в стабильном состоянии.

Слабое управляет некоторыми видами радиоактивного распада.

Все виды отличаются друг от друга по двум параметрам- дальностью действия и относительной силе. Гравитационное и электромагнитное имеют бесконечную дальность действия. В то же время сильное и слабое взаимодействия проявляют себя лишь на очень коротки расстояниях.

Ввиду таких различий не существует какой-то общей единицы, характеризующей силу всех видов взаимодействия. Однако если приблизить частицы друг к другу настолько, что действовать будут все, то их можно сравнить.

Если в качестве критерия для сравнения взять сильное взаимодействие, то обнаружим что второе по силе взаимодействие – электромагнитное- примерно в 100 раз слабее его. Далее идет слабое, которое примерно в 100 тысяч раз слабее сильного. А гравитационное невероятно слабо, оно отличается от сильно в 10-40 .

Частицу, переносящую сильное взаимодействие называли глюон. Фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия. Они имеют нулевую массу. Существует три типа частиц переносчиков слабого взаимодействия. Это: электрический нейтральный Z-бозон и два W-бозона, имеющих электрический заряд W+ и W-. Каждая из них располагает массой, сопоставимой с массой атома брома или циркония, что примерно в 100 раз тяжелее протона.

С гравитационным взаимодействием все сложнее. Частица переносящее это взаимодействие называют «гравитоном». Но никто никогда не видел гравитона, однако если он все-таки существует, то некоторые его свойства можно вычислить.Так, например, он должен быть электрически нейтральным и обладать нулевой массой.

1.4.В чем нуждается Стандартная модель.

У Стандартной модели есть свои недостатки: несмотря на то, что большая часть того, что она описывает, доказана экспериментально, остаются вопросы, на которые пока нет ответа. Например, почему в существующей Вселенной так мало антиматерии, хотя, теоретически, после Большого Взрыва антиматерии и материи должно было образоваться поровну?

Тут-то ученым и понадобился Большой адронныйколлайдер, который работает с 2008 года и уже помогший ученым укрепить позиции Стандартной модели, доказав существование Бозона Хиггса.

Глава 2.БольшойАдронныйколлайдер

Большой адро́нныйколла́йдер, сокращённо БАК (англ. LargeHadronCollider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

БАК – чрезвычайно сложная установка. Его окружность составляет 27 километров, в нем используется 1232 первичных магнита, для изготовления которых потребовалось 6900 километров проводов.

Основной принцип заключается в том, чтобы создать источник протонов и разогнать их до невероятной скорости больше миллиарда километров в час, что составляет пример 99,999999 от скорости света. Затем необходимо сформировать из протонов пучок тоньше человеческого волоса и направлять его по кольцевому каналу, где он будет циркулировать в течение примерно одного дня. За это время каждый протон пройдет путь в 26 миллиардов километров. Кроме того ситуация осложняется тем, что надо чтобы два таких пучка, которые должны столкнуться лоб в лоб в строго заданное время и в нужном месте. Помимо всего прочего, устройство должно быть достаточно простым, надежным и относительно недорогим.

2.1Ускорение частиц.

Начнем с главного. Как придать максимальную скорость пучку протонов? Если у вас есть объект, который находится в состоянии покоя и который вы хотите привести в движение, к нему надо приложить силу. Можно создать электрическое поле, которое будет взаимодействовать с электрическим зарядом протона, и приводить его в движение. Мы знаем, как придать электрическому полю нужное направление, чтобы отправить электрон по заданной траектории в ускорителе.

Но как же создать электрическое поле? Самый простой способ создания электрического поля для ускорения протонов заключается в том, чтобы взять две металлические пластины и подсоединить их с помощью проводов к батарее. Такими образом между двумя пластинами возникает электрическое поле. Если создать такое поле с помощью простой батарейки на 1.5 вольт, оно будет не очень сильным, и протон не слишком разгонится. Но надо сделать так, чтобы протон двигался с очень высокой скоростью, и эту проблему надо как-то решать. Во-первых, можно использовать более мощную батарейку. Во-вторых, можно взять несколько таких ускорителей частиц и соединить их последовательно. Современные ускорители частиц используют оба метода.

Но электрические поля в ускорителях создаются не за счет батарей, подсоединенных к двум пластинам. Причина в том, что существуют более простые способы получения электрического поля.

Если изготовить пустой металлический контейнер нужной формы и направить на него радиоволны, можно получить сильное электрическое поле. Некоторые из таких емкостей имеют форму большого бублика. Сквозь этот бублик проходят радиоволны, создавая мощное электрическое поле.

Радиоволны, используемые в ускорителях, представляют собой вибрацию. Значит, электрическое поле в ускорителях вибрирует. Следовательно, электрическое поле в ускорителях доходит до максимум в один момент, а потом падает до нуля, а потом менять свое направление на противоположное. Из этого вытекает, что ученым надо очень тщательно подбирать время прохождения пучка частиц через электрическое поле, чтобы оно приходилось точно на пик его мощности.

В ускорителе частицы отделены друг от друга, и расстояние между ними определяется длиной волны. Оно будет разным в зависимости от конструкции того или иного ускорителя, но в БАКе длина волны составляет 7,8 метра. Значит, если бы БАК строил по этой схеме, то его длина была бы свыше 140 километров. Такая конструкция имеет масс недостатков и прежде всего огромную стоимость, поэтому конструкторы ищут способы, чтобы сократить длину ускорителя.

В 1940-х годах ученые нашли способ уменьшить длину ускорителя. Они подумали: «А что если использовать ее, много раз подряд?». И тут физики начинают использовать магнитное поле, необходимое в синхротроне для того, чтобы искривлять траекторию заряженных частиц, например протонов, и заставлять их двигаться по кругу. Частицы разгоняются электрическим полем на коротком отрезке, а затем движутся под действием магнитного поля по кругу и вновь возвращаются в зону электрического поля для очередного ускорения. Для создания магнитного поля используются электромагниты. Но нельзя просто взять магнит, с помощью которого висит что-то на нашем холодильнике, а нужен очень мощный магнит. Магнит тем мощнее, чем больше электрический ток и тем меньше чем сопротивление материала (по которому проходит электрический ток) больше. И оказывается есть способы, позволяющие снизить сопротивление проводника, а в некоторых случаях и полностью устранить его.

В 1911 году физик ХейкеОннес охладил ртуть до такой температуры(-269 градусов по Цельсию), что сопротивление полностью исчезло. И когда конструкторы стали делать магниты они вспомнили об этом и решили попробовать изготовить электромагнит с обмоткой из сверхпрочного материала.

Давайте рассмотрим типичный образец диполя(отклоняющий магнит в ускорителях). В центре диполя размещается канал, по которому движется пучок частиц. Воздух из него откачан, чтобы частицы не сталкивался с молекулами воздуха. Канал окружен трубками, по которым течет жидкий гелий. По обе стороны канала находятся электрические катушки, создающие в нем магнитное поле. Далее следует прочный материал, поддерживающий катушки в неподвижном состоянии. Он имеет несколько слоев, причем каждый наружный слой несколько теплее по сравнению с внутренним. Корпус магнита, охватывающий все структурные элементы, изготовлен из стали, которая придает прочность конструкции.

Магниты в БАКе отличаются от остальных парным принципом действия. В корпус, содержащий охлаждающее оборудование, помещены два магнита. Отклоняющие магниты БАКа имеют длину 14 метров и весят 35 тонн каждый. Ускорителю требуется 1232 таких магнита.

2.2.Пучки частиц

Цель ученых столкнуть пучки субатомных частиц лоб в лоб. Давайте теперь, посмотрим, что представляют собой эти пучки. Начнем с того, что пучки должен содержать более одной частицы. Их количество может быть самым разным в зависимости от конструкции установки, но десять триллионов протонов, одновременно разгоняемых в ускорителе,- это достаточно обычная величина. Разумеется, чем больше частиц тем сложнее задача.

Поток частиц похож на струю воды, но все же отличается от нее. Поток частиц прерывист и состоит из отдельных скоплений, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (это объясняется тем, что ускорение происходит с помощью переменного тока).

Характеризуя тот или иной ускоритель, обычно отмечают три важных параметра: тип ускоряемых частиц, энергию пучка и количество столкновений в секунду. Чем больше столкновений, тем лучше. В таком ускорителе, как БАК, два пучка частиц направляются друг на друга.

Естественно может возникнуть вопрос: « А как направить пучки частиц друг на друга?». Для это используют фокусирующие и отклоняющие магниты. Фокусирующие магниты используют для того чтобы увеличить вероятность столкновения, а отклоняющие для придания частицам круговое движение

2.3.Ускорители

Комплекс коллайдера состоит из пяти различных ускорителей и нескольких установок, выполняющих подготовительные функции на первом ускорителе. Прежде чем разгонять протоны, сначала из надо получить. Для этого из обычного водорода, атом которого состоит из протона и электрона, удаляются электроны. Это делается в установке под названием дуоплазмотрон. В дуоплазмотроне протоны приобретают энергию порядка энергию порядка 100 тысяч электронвольт. Это соответствует всего 1.5 процента от скорости света, но все же их скорость составляет почти 4.5 тысячи километров в секунду.

Первый настоящий ускоритель, в который попадают протоны, называется Linac 2. Это линейные ускорителю, в котором электрическое поле всегда направлено в одну сторону. Протон попадает туда, практически не имея энергии, а на выходе из 78-метровый трубы его энергию составляет уже 50 миллионов электровольт. Покидая Linac, протон располагает всего одной миллионной часть. Энергии, которую он разовьет в самом конце. Но и в этом случае его скорость составляет уже 31% от скорости света.

После выхода из линейного ускорителя протон направляется на первый круглый ускоритель PSB, который представляет собой кольцо с окружностью 157 метров. Здесь энергия протона возрастает с 50 миллионов до 1.4 миллиарда электронвольт. Скорость на выходе из PSB возрастает до 93б93 процента от скорости света.

Следующий ускоритель называется PS. Этот кольцевой ускоритель имеющий протяженность 610 метров, повышает энергию протона до 25 миллиардов электронвольт. Скорость на выходе из PS возрастает до 99.93 процента от скорости света.

Ускоритель SPS представляет собой четвертое звено в этой цепи. Он имеет более 6.3 километров в окружности и повышает энергию протонов до 450 миллиардов электронвольт. Теперь протоны имеют скорость, составляющую 99.9998 процента от скорости света.

В роли пятого и последнего ускоритель выступает сам БАК. Он разгоняет протоны до энергии 7 триллионов электровольт. Это максимальная энергия, предусмотренная конструкцией, придает протонам скорость, составляющую 99.9999991 процента от скорости света.

В каждом из пяти ускорителей электрического поля создаются с помощью радиочастотных емкостей, о которых говорилось выше. Кроме того, все ускорители, кроме Linac 2, снабжены отклоняющими магнитами.

2.4.Гигантские детекторы

Все что описывалось ранее бессмысленно, если нельзя зафиксировать столкновения протонов на моментальных фотографиях, выполненных с помощью высокотехнологичного оборудования. Регистрируя и анализируя миллионы, а может и миллиарды подобных столкновений, мы начинаем понимать, какие явления – от привычных до самых редких – при этом происходят.

Как же фиксируется столкновения частиц в БАКе? Для этого требуется колоссальный объем регистрирующего оборудования, которое весит десятки, а то и тысячи тонн. При столкновении двух протонов может образовываться от 10 до 500 частиц, разлетающихся в разные стороны, как осколки. История каждого столкновения фиксируется по траекториям разлета дочерних частиц. Поскольку само столкновение занимает невообразимо короткий миг времени, оно обычно не поддается непосредственному наблюдению. Лишь изучая его осколки, мы можем найти некоторые ответы на интересующие нас вопросы.

Детекторы анализируют, какие частицы покинули место столкновения, какова их энергия и траектория, можно сделать вывод о процессе, который происходил в начальной точке. Правильно подобранные детекторы позволяют идентифицировать, по крайней мере, некоторые из дочерних частиц. Затем вся собранная собирается воедино и в результате получается общая картина столкновения.

Прежде чем описать технические подробности, необходимо сказать о частицах которые ученые могут обнаружить. Известны сотни их разновидностей. Однако, больше всего ученых интересуют электроны, фотоны, мюоны, нейтрино и такой класс частиц, как адроны. Электроны и фотоны изучены относительно подробно, так как мы находим их проявления в хорошо известных процессах – электричестве и свете. Ни электроны, ни фотоны не проникают далеко вглубь детекторов.

Мюоны и нейтрино известны меньше. Мюоны представляют собой по существу, тяжелые электроны, но они очень слабо взаимодействуют с детекторами и обычно проходят свозь них, теряя лишь очень незначительную часть своей энергии. Нейтрино не обладает электрическим зарядом и практически не имеют массы. На них оказывает влияние только слабое внутриядерное взаимодействие. Они проходят сквозь детекторы, не оставляя никаких следов, и об их присутствии можно догадаться только по их отсутствию.

Адроны представляют собой класс частиц, содержащих в себе кварки. Самым известными из них являются протоны и нейтроны, хотя их довольно редко можно обнаружить в осколках столкновения. Чаще всего в качестве осколков регистрируются пионы (π-мезоны). Они оставляют следы, во многом похожие на следы протонов, только очень легких, так как масса ионов составляет примерно 15 процентов от массы протона. Способы взаимодействия адронов с материей занимают как бы промежуточное положение между электронами и мюонами. Адроны глубже вторгаются в детекторы, чем электроны и фотоны, но уступают в этом отношении мюонам и нейтрино. Разный характер взаимодействия всех этих частиц с материей играет важную роль в их идентификации.

Отыскание начальной точки зарождения частицы (как говорят физики, «вершины») играет зачастую очень важную роль. Потому как многие частицы имеют сравнительно долгий срок жизни – несколько триллионных долей секунды. Может сложиться впечатление, что это слишком короткий промежуток времени, однако частицы высоких энергий за это время могут пролететь от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, прежде чем распадутся. Поскольку долгоживущие частицы довольно часто участвуют в редких физических процессах, необходимо точно установить в какой именно момент времени они родились. Обычно, если удается реконструировать оставленные частицами траектории и при этом становится, очевидно, что не все они берут начало из исходной точки столкновения протонов, такие события регистрируются. Проецируя траектории к исходному моменту зарождения, мы находим вершину пучка частиц. Если вершина не совпадает с точным местом столкновения протонов, это вызывается у физиков особый интерес.

2.5.Магнитное отклонение

Существует множество хитроумных способ идентификации типов частиц, хотя нам достаточно знать лишь некоторые из них. Первый способ- это отклонение в магнитном поле. Основный момент, который здесь необходимо отметить, заключается в том, что заряженные частицы движутся в магнитном по изогнутой орбите.

Этот факт может использоваться для идентификации и измерения параметров заряженных частиц, рождающихся в ходе столкновения. Окружность является простой геометрической фигурой. Единственная разница между окружностями может заключаться только в их размерах. Поэтому движение частиц по круговым траекториям позволяет измерить их свойства, так как мы может соотнести размер окружности с таким качество частицы, как ее импульс. В обычных экспериментах импульс соответствует скорости объекта. Чем больше скорость, тем выше импульс.

В связи с тем, что размер окружности, описываемой заряженной частицей, соответствует ее энергии, по измерению окружности мы может судить о ее величине. Чем больше радиус, тем выше энергия частицы. Если частица движется по очень большой окружности, это значит, что она обладает чрезвычайно высокой энергией. Вся проблема в этом случае заключается в том, что очень трудно сказать, является ли эта окружность большой, очень большой или сверхбольшой. А если ее нельзя измерить, то невозможно точно судить об уровне энергии частицы.

Таким образом, можно сказать, что метод, основанный на отклонении частиц магнитным полем, надежно работает том случае, когда частицы обладают не слишком большой энергией. Отсюда возникает вопрос: каким образом можно точно измерить параметры частиц высокой энергии? Особую актуальность он приобретает при работе на БАКе, который разгоняет частиц до беспрецедентно высокого уровня энергии. Для этих целей существует метод, который основан на возникновении так называемого ливня частиц. Ливень я затрону позже, а сейчас ионизация.

2.6.Ионизация.

Проходя сквозь какой-то материал, заряженная частица сталкивается с его атомами. Заряженная частица окружена электрическим полем. По своей протяженности оно намного превосходит размеры самой частицы, но способно влиять на атомы материала, через который проходит. Когда относительно большой объект проходит сквозь вещество, он задевает окружающие атомы. После каждого такого столкновения частица немного замедляется. В принципе, в этом состоит эффект ионизации: заряженная частица воздействует на атомы окружающего вещества и при этом замедляет свое движение.

Кроме того, необходимо понимать, что количество энергии, теряемое частицей, пропорционально расстоянию, которое оно проходит в толпе вещества. Допустим, что она лишается некой единицы энергии, пройдя в веществе один сантиметр.

Разобравшись с техническим принципом метода, давайте вернемся к ионизации, чтобы понять что она собой представляет. В качестве аналогии можно использовать резкое торможение автомобиля. Потеря частицей энергии в результате автомобиля в результате трения покрышек о дорожное покрытие. Точно так же, как по длине тормозного следа на асфальте можно сделать вывод о скорости (то есть о начальной энергии) машины в момент нажатия на тормозную педаль, след, оставленный частицей в веществ детектора, позволяет судить о ее начальной энергии.

Насколько глубоко может проникнуть частица в глубь вещества, если ее тормозит только процесс ионизации? Очевидно, это зависит от энергии частицы и материала, через который она проходит. Если направить частицу с относительно низкой энергией (10 гектоэлектронвольт) в сплошной кусок металла, она может пройти около 7.6 метра. С учетом того, что в БАКе энергия столкновения может достигать 14 000 гектоэлектронвольт, частицы с таким уровнем энергии будут вполне обычным явлением. Но ничуть не реже будут попадаться и те, у которых энергия превышает уровень в 10 раз. Для того чтобы затормозить их, понадобиться массив железа толщиной, которая соответствует размерам футбольного поля.

2.7.Ливень частиц.

Все, что до сих пор мы говорили об ионизации, полностью соответствует действительности, но это еще не вся история. Некоторые частицы вступают между собой в дополнительные взаимодействия. Это, в частности электроны фотоны и адроны(частицы, содержащие в себе кварки). Проходя вблизи атомов вещества, они не только замедляются вследствие ионизации, но и могут распадаться на две или более частицы. Например, если электрон проходит достаточно близко от атомного ядра, он может испускать из себя фотон. Таким образом, из одной частицы получаются две – электрон и фотон. Точно так же когда фотон проходит вблизи атомного ядра, он может распадаться на электрон и позитрон. Опять же из одной частицы получаются две. При распаде одной частицы на две каждая из них будет обладать лишь половиной(приблизительно) начальной энергии.

Адроны тоже образуют ливень частиц, но несколько по-другому. Данное явление длится дольше, и образующиеся при этом частицы глубже проникают в вещество. Теперь, когда мы знаем про такие явления как ионизация и ливень частиц, мы можем представить как физики идентифицируют различные типы частиц. Давайте возьмем для примера простой двухкомпонентный детектор, одна часть которого состоит из газообразного вещества, в котором происходит ионизация, а другая – из твердого, где начинается процесс ливня частиц. Чтобы понять, каким образом идентифицируются частицы, рассмотрим пять их типов – нейтрино, мюоны, фотоны, электроны и адроны. Нейтрино электрически нейтральны и не вызывают ливня. Фотоны тоже нейтрально, но быстро вызывают ливень частиц. Электроны имеют электрический заряд и тоже быстро приводят к образованию ливня частиц. Адроны могут быть нейтральными или обладать электрическим зарядом, но образование ливня у них происходит медленнее. Таким образом, взглянув на следы, оставленные частицами в обеих частях детектора, мы может с достаточной уверенностью отнести их к тому или иному типу.

2.8.Черенковское свечение.

Для того чтобы понять, что такое черенковское свечение надо представить себе такую ситуацию: фотон и электрон обладающие одинаковой энергией летят в вакууме. Фотон всегда будет обгонять электрон. А теперь представим себе, что они попали в стекло. Фотон немедленно замедляется до скорости, составляющей две трети от начальной, а скорости электрона при этом существенно не меняется. Таким образом, в стекле электрон может двигаться быстрее, чем фотон, то есть быстрее скорости света! В случае если электрически заряженная частица движется в стекле быстрее света, она начинает испускать свет. Зафиксировав такое свечение, вы можете быть уверены, что сквозь стекло прошла заряженная частица, обладающая высокой энергией. Это явление и называется черенковским свечением.

Если объединить это черенковское свечение с эффектом ливня частиц, чтобы создать очень чувствительный детектор. Предположим, что у вас есть брусок хрусталя, который используется, что у вас есть брусок хрусталя. В отличие от обычного стекла, хрусталь содержит большое количество свинца. Вспомните, что проходя вблизи атома, электрон испускает фотон. Кроме того, вспомните, что фотон, проходящий вблизи атома, распадается на электрон и позитрон. В данном случае ливень происходит в стекле. Ввиду высокой скорости электронов(превышающей скорость света в стекле), электроны и позитроны начинают излучать черенковское свечение, которое можно уловить и преобразовать в электрические импульсы, пригодный для дальнейшей обработки. Таким образом, кусок хрусталя и высокочувствительный электрон могут стать основой для метода измерения энергии электронов и фотонов.

2.9.Детекторы.

В основе большинства детекторов, способных определить местоположение частицы, лежит процесс ионизации. Электрически заряженные частицы проходят через некий материал, нарушают электронные оболочки его атомов, и эти нарушения как-то фиксируются. Весь фокус состоит в том, чтобы найти точное место, где частица вошла в материал. Для этого существует немало способов. Самый распространённый из них заключается в том, чтобы изготовить множество маленьких ионизационных детекторов, изолированных друг от друга, и считывать с них сигналы, позволяющие установить, через какой именно пролетела частица.

Натянутые в ряд проволочки помещены в камеру, которая заполнена тщательно подобранным составом газов. Проволочка мимо, которой пролетит частица, подаст сигнал о точном месте ее входа в камеру. Таким образом, можно определить координаты частиц с точностью до десятых долей миллиметра. Для более точных измерений используются детекторы, в которых вместо проволочек кремниевые пластинки.

Перейдем к детекторам ливня. Всем им свойственна одна общая черта: они изготовлены из одного материала. Наиболее распространены два типа таких детекторов, и первый из них называется самплинг-калориметр. Его структура состоит из нескольких слоев металлических пластин, перемежающихся материалом, в котором можно достаточно легко измерить энергию ионизации. Плотность этого материала должна быть меньше плотности металла. Такой детектор состоит из стальных плит толщиной несколько сантиметров и слоев фиксирующего материала толщиной около сантиметра. Всего таких слоев около 50.

Частицы высоких энергий взаимодействуют с атомами плотного металла и образуют ливень вторичных частиц, которые проходят сквозь материал детектора, где фиксируется ионизация. В следующем слое металла ливень продолжается. В конечном итоге вся энергия частиц оказывается поглощенной, и ливень прекращается.

Второй тип детектора ливней – гомогенный калориметр. В отличие от самплинг-калориметра он весь сплошной. Основную трудность в данном случае представляет процесс считывания информации. Обычно для этого применяется определенный сорт стекла, содержащего большое количество металла. Такой детектор имеет иной принцип работы по сравнению с самплинг-калориметром. Частицы высоких энергий, попадающие в стекло, движутся в нем быстрее скорости света(т.е. скорости с которой свет может двигаться в этом же стекле) при этом возникает черенковское свечение. Затем частица сталкивается с атомами свинца и образует ливень. Дочерние частицы также движутся быстрее скорости света, а затем также сталкиваются с атомами свинца. Ливень нарастает. Для всех частиц последующих «поколений» также характерно черенковское движение. Это свечение доходит до краев стекла, регистрируется и преобразуется в электрические сигналы.

БАК снабжен двумя детекторами универсального назначения, которые способны фиксировать результаты столкновения протонов высочайших энергий(CMS и ATLAS). Два дополнительных детектора предназначены для изучения феноменов на значительно более низких уровнях(LHCf и TOTEM). Они могут рассматриваться как вспомогательные для двух основных детекторов. Детектор LHCb настроен на регистрацию столкновений, в которых будут рождаться прелестные кварки, а ALICE изучает столкновения при почти световой скорости тяжелых ионов, например, ядер атомов свинца.

Заключение

21 Февраля 2011 на конференции Американской ассоциации содействия науке ФелиситасПаусс, начальник управления международных отношений ЦЕРН, сделал заявление, о том что, если Большой адронныйколлайдер не докажет существование бозона Хиггса в ближайшие два года, всю теорию субатомных структур Стандартной модели придётся пересмотреть.

Открытие на БАКе показали, что Стандартная модель, как основа теории строения мира, не нуждается в пересмотре, а коллайдер на сегодняшний день самым современным и необходимым средством для физических исследований.

Использованная литература

1)Основы современной физики/В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм;

2)Большой адронныйколлайдер. На квантовом рубеже/ Д.Линкольн.

3)Почему Большой АдронныйКоллайдер/ЦЕРН

Интернет материалы

Сила слова

Что есть на свете красота?

Сказочные цветы за 15 минут

Смекалка против Змея-Горыныча

Снег своими руками