Проект по физике "Эпоха ускорения"

Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №-3 с углубленным изучением музыкальных предметов им. А.П.Иванова

 Исследовательская работа:

«Эпоха Ускорения»

Выполнил: ученик 9 класса                                                          Сергеев Андрей         

                       Руководитель:                                                                   Сенина Раиса Ивановна

г.Бежецк                                                                                  

2018

                                                                   Содержание:

1. Введение                                                                                                                              

2. Ускорение элементарных частиц – взгляд в будущее

2.1. История создания ускорителей элементарных частиц

2.2. Принцип работы УЭЧ

2.3. Применение УЭЧ

2.4. Негативная теория, связанная с работой ускорителя

2.5. Достижения российских учёных

3. Вывод

4. Список используемой литературы

                                                                        «Мы всего лишь развитые                                 потомки обезьян на маленькой планете                                                                                                                                   с ничем не примечательной звездой.                                                                                                   Но у нас есть шансы постичь Вселенную.                                                                           Это и делает нас особенными.»
                     Стивен Хокинг

                                                             1.Введение                                                                                  Одним из самых зрелищных явлений, наблюдаемых невооруженным глазом, является метеорный поток – широкий пылающий след, оставляемый мельчайшими крупинками вещества. Еще более удивительно полярное сияние, вызываемое столкновением с атмосферой субатомных элементарных частиц, разгоняемых Солнцем. Космические лучи – элементарные частицы крошечной массы, которые входят в земную атмосферу с энергией крикетного мяча, – наблюдать гораздо труднее, да и механизм их ускорения пока остается загадкой. Однако в земных условиях люди научились разгонять элементарные частицы в искусственных ускорителях, что дало возможность не только изучать фундаментальные основы мироздания, но и открыло перспективы для создания новых технологий

Современные физики-экспериментаторы, как и столетия назад, проводят опыты, однако «приборы» у них совсем других размеров. Объект исследований - микромир, хранящий пока тайны строения материи, пространства и времени. Наиболее глубокие знания о законах природы и в целом о нашей Вселенной дают  исследования  в области элементарных частиц и космологии. В последние годы были сделаны потрясающие открытия, разгадка которых станет настоящей революций в науке. Может, это незаметно со стороны, но именно сейчас микро- и космофизика переживает один из самых захватывающих моментов за многие годы. Ответы на некоторые вопросы, возможно, будут даны уже в ближайшие годы. Вопросы можно сформулировать так: как возникла и эволюционировала Вселенная; из чего состоит Вселенная, какие есть виды материи; как устроена материя, какие есть виды взаимодействия, каковы законы движения; почему так устроен мир? Долгое время астрономия была чисто созерцательной наукой, поскольку наблюдения велись только с помощью телескопов в узком оптическом диапазоне. Благодаря развитию техники сейчас есть возможность видеть, что происходит во Вселенной. В результате открытия следуют одно за другим. При этом исследования ведутся на очень высоком уровне, позволяющем сравнивать полученные результаты с предсказаниями различных моделей и делать соответствующие выводы.

Цель исследования: изучение и исследование ускорителей элементарных частиц.

Задачи исследования:

- изучить исторические материалы о развитии и усовершенствовании УЭЧ;

- изучить действие электромагнитного поля на заряженные частицы;

- на практике понять и изучить принципы работы ускорителей заряженных частиц;

- сбор и обработка материала об ускорителях элементарных частиц;

-донести материал до одноклассников, выступить на НПК на школьном и муниципальном уровне.

          2.Ускорение элементарных частиц – взгляд в будущее

          2.1.История создания  ускорителя элементарных частиц

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим. Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом в 1929 году и сконструирован в 1931 году.  Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц. Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности, так и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись. В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.                                                                                    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. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ , однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека , американцами под руководством Джерарда О’Нейлла  и Вольфганга Пановски и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.                                                                                            В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией 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.

                        2.2.Принцип работы Ускорителей

В основе работы ускорителей заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями: частицы разгоняются до больших скоростей, затем ускоренные частицы приводят в столкновение с мишенями. Соударение частиц высоких энергий совсем не похоже на столкновение шаров при игре в бильярд. Мир высоких энергий и невообразимо малых расстояний настолько специфичен, что для описания взаимодействий в нём используется квантовая физика. Задача исследователя — восстановить картину события по зафиксированным следам частиц. Результат взаимодействия изучается путём анализа поведения очень большого числа частиц и проводится с помощью ЭВМ. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. В однородном электрическом поле движение заряженных частиц происходит с постоянным ускорением, в неоднородном – с переменным. Во всех случаях при отсутствии сил сопротивления энергия, приобретённая изначально покоящейся частицей, равна работе, совершённой силами поля:

В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов, к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита. Циклотрон - резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

Первый мощный ускоритель-синхрофазотрон изначально предполагалось сконструировать на основе комбинации двух принципов, до этого по отдельности использовавшихся в фазотроне и синхротроне. Первый из принципов – изменение частоты электромагнитного поля, второй – изменение уровня напряженности магнитного поля. Работает синхрофазотрон по принципу циклического ускорителя. Чтобы гарантировать нахождение частицы на одной и той же равновесной орбите, частота ускоряющего поля меняется. Пучок частиц всегда приходит в ускорительную часть установки в фазе с электрическим полем высокой частоты. Синхрофазотрон иногда называют протонным синхротроном, имеющим слабую фокусировку. Важный параметр синхрофазотрона – интенсивность пучка, которая определяется числом содержащихся в нем частиц. В синхрофазотроне почти полностью устраняются погрешности и недостатки, свойственные его предшественнику – циклотрону. Изменяя индукцию магнитного поля и частоту перезарядки частиц, протонный ускоритель увеличивает энергию частиц, направляя их по нужному курсу. Создание такого прибора произвело революцию в ядерной физике и стало началом прорыва в области изучения заряженных частиц.

Большой адронный коллайдер - самый большой в истории ускоритель элементарных частиц, в его 27-километровом кольце сталкиваются разогнанные почти до световой скорости пучки протонов. Изучая результаты этих столкновений, ученые надеются получить новые данные о строении материи. Коллайдер состоит из двух частей:       1. Ускорителя( Каскад колец, по которым разгоняются частицы до сталкновения);    2. Детекторов, фиксирующих результаты сталкновений. Кольцо ускорителя – это труба, внутри которой находятся два канала, где в вакууме движутся протоны. Сверхпроводящие магниты удерживают пучки внутри каналов. Чтобы разогнать частицы почти до максимально возможной скорости ( 300 тыс. км/с ) нужно пройти несколько этапов. В ускоритель «запускают» протоны, имеющие положительный заряд. Если поднести к ним положительно заряженный электрод, то они будут от него отталкиваться, значит придут в движение. Таким образом, если они будут всё время отталкиваться, то их скорость будет увеличиваться. Чтобы увеличить Энергию ускорения, пучки разгоняют навстречу друг другу. Они пересекаются в тех местах, где стоят детекторы. Для того, чтобы вычислить энергию протонов, нужно знать их скорость. Детекторы фиксируют траекторию разлёта частиц. Вся информация от детекторов идёт в главный компьютер, где она хранится на специальных магнитных лентах. Обрабатывают информацию учёные всего мира.

                                               2.3 Применение УЭЧ

Из примерно 17 тысяч существующих сейчас ускорителей лишь около сотни используются в научных целях. Остальные — это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины. Применяются ускорители в онкологии — нейтронная борозахватная терапия. В организм пациента вводится фармпрепарат с изотопом бора-10, который сильнее накапливается в клетках опухоли, чем в здоровых клетках. Ядра бора-10 обладают очень высокой вероятностью захватывать пролетающие мимо тепловые нейтроны, поэтому если пациента облучить нейтронным пучком, то нейтроны будут поглощаться преимущественно клетками опухоли и разрушать их. В этом состоит отличие этой методики от протонной терапии — ведь протоны выделают свою энергию одинаково и в больных, и здоровых клетках. Поэтому с помощью нейтронной терапии можно эффективно воздействовать на злокачественные образования, которые не локализованы в виде отдельной опухоли, а распределены по всему пораженному органу. Нейтронный ускоритель, призванный сделать эту терапию доступной и эффективной, разрабатывается сейчас в новосибирском Институте ядерной физики.                                                                                                                   Многие электронные ускорители работают как источники синхротронного излучения — яркого и узконаправленного рентгеновского луча, которым «светят» электроны в магнитном поле. Такой луч используется как для диагностики заболеваний, так и для терапевтического воздействия. Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.                                                                                                     Ускоритель — это самый «зоркий» микроскоп, который есть в распоряжении ученых. Он позволяет увидеть самые маленькие детали строения вещества, которые нельзя различить никакими другими способами. 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). Более мелкие объекты позволяет различить электронная микроскопия: вместо света предмет «освещают» пучком электронов и смотрят, как они рассеиваются. 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. 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.

                                            2.4. Негативная теория

Четвертого июля 2012 года произошло событие, имеющее выдающееся значение для современной физики: в ЦЕРНе — Европейском центре ядерных исследований — было объявлено об открытии новой частицы, свойства которой соответствуют ожидаемым свойствам теоретически предсказанного элементарного бозона Стандартной модели физики частиц.  Речь идет об открытии одного из центральных объектов фундаментальной физики, не имеющего аналогов среди известных элементарных частиц и занимающего уникальное место в физической картине мира. Еще до момента первого запуска появилось множество теорий о том, что коллайдер является потенциально опасным устройством и может привести к взрыву, который уничтожит все человечество и планету в целом. На протяжении многих лет не только ученые, но и простые люди постоянно обсуждали, что будет, если взорвется адронный коллайдер. Некоторые авторитетные ученые заявляли, что в результате создания черной дыры вся планета может исчезнуть. Один из самых узнаваемых и авторитетных ученых современности Стивен Хокинг заявил, что опыты и открытие бозона Хиггса может носить опасный характер для человечества. Естественно, ни о каком взрыве речь не идет, но известный физик опасается, что сам бозон способен вызвать исчезновение таких понятий, как пространство и время. По мнению Хокинга, бозон Хиггса является крайне нестабильным материалом, что в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума.

                                       2.5. Достижения российских учёных

Одно из забытых чудес СССР, находящееся на границе Московской и Калужской областей - тоннель УНК (ускорительно-накопительного комплекса протонов, протонного коллайдера). В СССР проект протонного коллайдера не был реализован. Сейчас уже Россия решила построить новый коллайдер. Экспериментальная программа на ускорительно-экспериментальном комплексе NICA будет очень широкой. Исследования свойств барионной материи в экстремальных условиях и ее фазовых переходов, изучение природы спина нуклона и поляризационных явлений. Инновационно-исследовательские работы в области материаловедения и создания новых материалов. Медицины и пучковой терапии, радиобиологии, электроники, исследований по тематике программ Роскосмоса, утилизации и переработки радиоактивных расходов, создания новых безопасных источников энергии, криогенной техники. Всё это даст колоссальный импульс к развитию, даст сигнал странам, которые не являются странами-участницами ОИЯИ, но хотят участвовать в проекте NICA.                                         Первый запуск планируется произвести в 2020 году, а на полную мощность комплекс должен заработать к 2023 году. Это один из самых амбициозных научных проектов России. Наша страна берет на себя основные расходы. Но серьезный вклад вносят и зарубежные учредители института — 18 государств и еще 6 стран, которые являются ассоциированными членами. Стоимость проекта NICA составляет более $500 млн. 80% бюджета оплачивает Россия. Проект NICA международный. Оборудование и программное обеспечение разрабатывают специалисты из Украины, Германии, Италии и других стран. В 2010 году был подписан договор с ЦЕРН о взаимовыгодном сотрудничестве.                                                             Целью проекта «Комплекс сверхпроводящих колец на встречных пучках тяжелых ионов NICA» является создание ускорительно-экспериментальной базы мирового уровня для проведения фундаментальных исследований сверхплотного ядерного вещества, спиновой структуры адронов, а также для выполнения широкого спектра инновационных и прикладных работ.

В обнинском ФЭИ (Государственном научном центре Российской Федерации — Физико-энергетическом институте имени Александра Лейпунского), входящем в научный дивизион Госкорпорации «Росатом», 18 декабря 2015 года прошел пуск ускорителя заряженных частиц ТАНДЕТРОН. Установка является новой и уникальной для России и представляет лучший в своем классе ускоритель заряженных частиц в мире.

Пуск ТАНДЕТРОНа прошел в рамках Федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года. Заказчиком и координатором программы выступила Госкорпорация «Росатом», а ее научным руководителем — ФЭИ. Появление ТАНДЕТРОНа продолжает лучшие традиции института, а физики, врачи и инженеры с его помощью получают доступ к уникальным в своем классе технологиям.

Прежде всего, ускоритель найдет применение в экспериментальной ядерной физике. В частности, ученые с его помощью планируют провести исследования параметров для ядерных реакторов. Для ФЭИ это чрезвычайно актуальная задача, поскольку именно в этом институте в 1954 году была запущена первая в мире промышленная атомная электростанция (Обнинская АЭС). В настоящее время ФЭИ сохраняет лидерство в области атомной энергетики, а в числе его приоритетов — технология реакторов на быстрых нейтронах.

Очень важное применение ускоритель найдет в ядерной медицине. С его помощью планируется получить короткоживущие изотопы для позитрон-эмиссионной томографии, воспользоваться которыми смогут создающиеся центры позитронно-эмиссионной томографии центрального региона России (дальше изотопы вывезти не удастся — они распадутся). Также ТАНДЕТРОН будет использоваться врачами для дистанционной нейтронной терапии злокачественных новообразований

                                                           3. Вывод
Современный ускоритель - это своего рода фабрика для производства новых частиц и для получения, по существу, новых видов материи, без изучения которых  нельзя понять и строение «обычных» частиц. Именно после сооружения и запуска мощных ускорителей и детекторов были открыты многие десятки элементарных частиц, изучены сотни различных реакций, связанных с тремя возможными типами взаимодействия: сильным, электромагнитным и слабым. Выяснение строения элементарных частиц и свойств их взаимодействия будет иметь для человечества столь же большое научное и практическое значение, как познание атома и атомного ядра. Дальнейший прогресс в этой области, исключительно важной для всей науки, в решающей степени зависит от того, насколько совершенную технику получат экспериментаторы. И прежде всего от того, насколько мощные ускорители и детекторы окажутся в их распоряжении, насколько удастся поднять энергию ускоряемых частиц. Один из ключевых вопросов, которые поднимет эксперимент, это темная материя. Согласно Стандартной модели, 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, которые невозможно обнаружить оптическими инструментами вроде телескопов. Ученые хотят раз и навсегда доказать, что темная материя существует не только в теории. Для этого команда планирует разбить частицу бозона Хиггса и заставить его распасться на протон и составляющую темной материи. Если ученым удастся, они разобьют текущую Стандартную модель и предоставят нам совершенно новое понимание Вселенной, которое называют «теорией всего». Ученые планируют проверить другую теорию — которая связана с сосуществованием материи и антиматерии в видимой Вселенной. Материя и антиматерия, как полагают, сталкивались много раз в космосе, поэтому то, что мы сегодня воспринимаем как видимую Вселенную, является лишь результатом столкновений. В любом случае антиматерия — это гипотеза. Обычно в фантастических фильмах и книгах много антиматерии, но не в реальности, объясняют ученые. Два других горячих вопроса — теории, связанные с отсутствием гравитации в Стандартной модели физики, и возможность существования множества мелких частиц во Вселенной. Ученые мечтают найти мельчайшую частицу в электроне.

                                 Список используемой литературы:

1. http://elementy.ru
2. https://hi-news.ru/science
3. /LHC
4. Дрёмин И. М. Физика на Большом адронном коллайдере.
5. Горбунов Л.М. Ускорители XXI века
6. /rus/structure/hightemp/lhc.html
7. http://theorphysics.info