Исследовательская работа «Большой адронный коллайдер, зачем он нужен человечеству?»

На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумных идей.

К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века? Весь мир состоит из элементарных частиц, которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии.

Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн. Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть, она не имеет экспериментального подтверждения, поэтому ученые решили построить крупнейшую в мире экспериментальную установку – Большой адронный коллайдер (БАК), ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов, а также для изучения продуктов их соударений.

БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров, более чем из 100 стран. Его называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.

Актуальность темы

Ученые всего мира, даже с учетом всех имеющихся на данный момент изобретений, еще далеки от понимания полной картины окружающего нас пространства, времени, материи и энергии. Создание Большого адронного коллайдера поможет науке продвинуться вперед и узнать много нового о возникновении нашей планеты.

Проблема исследования состоит в том, что многие из нас, не зная о предназначении Большого адронного коллайдера, считают, что он способен уничтожить нашу Землю.

Цель исследования: доказать, что Большой адронный коллайдер не несет опасности человечеству.

Гипотеза: адронный коллайлер – путь к прогрессу.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

Раскрыть понятие «адронный коллайдер».
Раскрыть мифы о нем.
Разобраться, что подарил человечеству Большой адронный коллайдер.

Методы исследования: теоретический, эмпирический, метод изучения информации с помощью Интернет-ресурсов

Практическая значимость моего исследования:

Интернет – Всемирная паутина.

Медицина – нано фильтры для очистки крови; лечение тяжелейшего заболевания «волчанки»;

Быт – фильтры для очистки воды.

Глава 1. Основная часть

Понятие «Большой адронный коллайдер»

Большой адронный коллайдер назван «большим» из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 метров; «адронным» – из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, «коллайдером» (англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Идея создания коллайдера появилась ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект? В 1994 проект одобрили. А строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения подземные коммуникации прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера. За годы своей работы ускоритель принес физике ряд открытий. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

Основное кольцо ускорителя находится на глубине около ста метров под землей. В 2001 году планировалось потратить на проект 3 млрд. 700 млн. евро для проведения экспериментов. Сегодня на проект потрачено 10 млрд. евро. Столько же стоит построить космическую станцию. Участниками проекта является свыше 22 стран, еще несколько десятков стран, так или иначе, принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере. Запуск Большого адронного коллайдера осуществлен в 2008 году.

Физикам Европейского центра ядерных исследований (CERN) удалось создать и удержать в течение длительного времени антиматерию, что может помочь им разгадать одну из величайших тайн в науке. Ученым удалось воссоздать в вакууме 38 атомов антиводорода, некоторые из которых просуществовали одну десятую долю секунды, что дало ученым достаточно данных для их изучения. Антиводород получали и раньше (впервые удалось двум группам ученых в 2002 году), однако такие атомы мгновенно вступали с атомами обычного вещества в реакцию аннигиляции, приводящей к полному переходу массы в энергию.

«Мы в восторге. Это пять лет тяжелой работы», – признал руководитель эксперимента «Альфа» Джеффри Хангст. Теперь физики намерены получить больше атомов антивещества и удержать их в устойчивом состоянии еще дольше. «Мы хотели бы понять, есть ли какая разница, которая нам пока неизвестна, между веществом и антивеществом». Ученые получили возможность ставить эксперименты в сфере, где раньше могли трудиться только писатели-фантасты. Материя и антиматерия похожи на близнецов –доброго и злого, они номинально равны, но противоположны по знаку, а потому при встрече уничтожают друг друга. При контакте высвобождается много энергии. Это может показаться странным, но антивещество – нормальное явление в реальной, нефантастической вселенной. Некоторые ученые считают, что антивещество выглядит и ведет себя точно так же, как его обыденный двойник. Создание атомов антиводорода позволит проверить эту гипотезу. В случае если водород и антиводород окажутся хотя бы чуть-чуть ассиметричны, основы физики будут потрясены. Ранее ученые женевского института уже наблюдали атомы антиводорода, но новые эксперименты дают возможность изучать их более детально. В традиционной физике принято считать, что антивещество выглядит точно так же, как не антивещество. Атомы антиводорода и водорода должны обладать одинаковыми свойствами, например, излучать световую волну одинаковой частоты. В научно-фантастических романах антивещество является наилучшим ракетным топливом. Женевские физики считают атомы антиводорода «билетом» не только в другие концы галактики, но также в иную математическую вселенную, где «положительное становится отрицательным, а левое – правым». Получение такого количества антивещества является первым шагом к разгадке одного из парадоксов нашего мира. Согласно общепринятым теориям, в момент образования Вселенной создавалось одинаковое количество вещества и антивещества. По физическим законам они должны были немедленно войти в соприкосновение и уничтожить друг друга с выделением огромной энергии. Однако этого не случилось, и сейчас ученые пытаются понять, куда делось антивещество и какие потенциальные опасности оно несет для нашей Вселенной.

В июле 2012 года, после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере физики ЦЕРНа объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса". Эта частица не имеет электрического заряда и нестабильна. На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.

8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за "теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц".

В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причине практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса.

Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок. Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдера состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

$C:\Users\Гость\Desktop\6.JPG$

ATLAS – является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

CMS – является детектором общего назначения на Большом адронномколлайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

ALICE – представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

LHCb – в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц – тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные – один за другим на расстоянии 20 метров.

Раскрытие мифов об адронном коллайдере

Миф 1 «Антивещество, полученное в коллайдере, уничтожит наш мир»

Согласно современным представлениям у каждой частицы есть античастица. Частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в частицы света - фотоны. Утверждение о том, что антивещество, полученное в коллайдере, уничтожит наш мир» – несостоятельно, так как для получения хотя бы 0,25г антивещества необходима работа коллайдера в течение миллиона лет. Большой адронный коллайдер – это не завод для получения антивещества, невозможно получения антивещества в огромном количестве. Поэтому миф 1 несостоятелен.

Миф 2 «Черная дыра»

Миф 3 «Странное вещество «заразит» весь мир»

Странгены – сгустки странного вещества. Согласно этому мифу столкновение странгена с ядром обычного атома, превращает атом в странную материю, в результате этого столкновения во все стороны разлетаются новые капли этого вещества. Цепная реакция охватывает всю планету и все живое. По этой версии странное вещество заразит весь мир и мир погибнет. Опровержение мифа: в коллайдере получают кварки: down, up, очарованные, странные кварки. Кварки не заперты в частицы. Кварки – это то, из чего сделаны другие элементарные частицы. Мы состоим из протонов и нейтронов. В их составе два кварка down, up. Есть странный кварк. Есть частицы, в которые входит странный кварк. В коллайдере сталкиваются протоны и нейтроны, которые не способны при своем столкновении породить странный кварк, следовательно, странное вещество. Поэтому миф 3 несостоятелен.

Возможные будущие открытия Большого адронного коллайдера

Межзвездные перелеты

Физики теоретически хотят доказать, что энергия и материя имеют единую природу и, что существует возможность перехода из состояния энергии в материю и обратно. Преобразование энергии в материю (аннигиляция), в будущем позволит создать фотонные двигатели, которые, в свою очередь, позволят нам быстро путешествовать к другим звездам.

Простой выход в космос

Благодаря опытам, нам станет доступно управление гравитацией, в частности антигравитация. В случае успеха, перед человечеством откроются революционные возможности, начиная фантастическими ховербордами и летающими машинами, и заканчивая доступностью путешествий в космос.

Машина времени

Профессор, доктор физико-математических наук Ирина Арефьева и член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Игорь Волович полагают, что эксперименты, которые проводятся на БАК, могут привести к созданию машины времени. Они считают, что протонные столкновения могут породить пространственно-временные «кротовые норы». Однако большинство ученых не разделяют оптимизма коллег. Противоположных взглядов придерживается и доктор физико-математических.

Польза Большого адронного коллайдера человечеству

Практическая польза Большого адронного коллайдера неоценима! Эксперименты, проводимые с его использованием, приоткрывают завесу тайн в области физики элементарных частиц. Процессы и их изучение, происходящие при столкновении двух элементарных частиц в коллайдере, помогут понять человечеству механизм образования «чёрных дыр», что повлечёт за собой приближение к пониманию возникновения «пространства-времени». А этот шаг может означать огромный рывок в открытии более мощных альтернативных источников энергии, путешествия в космосе.

Развитие новых технологий, на основе нано частиц, которые найдут своё применение в химии, биологии, медицине – всё это поможет воплотить в жизнь Большой андронный коллайдер. У учёных существуют также теории на фундаментальном уровне. Проверка этих теорий тоже будет проведена не без помощи коллайдера, а это может открыть тайну возникновения нашей Вселенной.

В нашей с вами жизни это: в Интернете – Всемирная паутина; в медицине – нанофильтры для очистки крови; лечение тяжелейшего заболевания «волчанки»; в быту – фильтры для очистки воды.

$C:\Users\Гость\Desktop\nl-2011-00841a_0006.png$

Заключение

Главное доказательство того, что все коллайдеры безопасны, содержится в самой природе. Но существует коллайдер, гораздо мощнее того, который работает в ЦЕРНе и имя ему – Вселенная.

Мы уже около 5 млд лет бомбардируемся элементарными частицами, космическими лучами, солнечным ветром, энергия которых в миллиарды раз сильнее чем тех, которые создаются современными ускорителями.

На площадь, примерно равной площади Москвы, прилетают частицы с высокой энергией примерно 1 раз в год, и это происходит все время, пока существует Земля.

Если бы происходило что-нибудь плохое, то Земля давно исчезла бы давно, но Земля все ещё существует. В моем проекте была выдвинута гипотеза – «Адронный коллайдер – это путь к прогрессу».

В ходе работы над данным вопросом я пришел к выводу, что гипотеза верна.

Литература

Большой адронный коллайдер. На квантовом рубеже: Дон Линкольн — Москва, Попурри, 2011 г.
Большой адронный коллайдер: Джесси Рассел — Москва, 2012 г.
Большой атлас Земли. Большой атлас Вселенной Марко Мажрани, Леопольдо Бенаккио — Москва, БММ, 2006 г.

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Слайд 1

Мифы о Большом адронном коллайдере «Разница в уровне развития между местной цивилизацией и космическими расами огромна. Пещерный человек может быть очень сообразителен, он даже может изобрести колесо, оставив далеко позади всех своих собратьев, но он вряд ли изобретёт что-то, что заинтересует конструкторов адронного коллайдера .» Сергей Тармашев Адрон Протон

Слайд 2

Существует предположение, что при столкновении частиц на скоростях, близких к скорости света возможно образование черной дыры, которая поглотит наш мир. Это утверждение также несостоятельно, потому что для образования черной дыры необходимо сжать объект в миллионы раз. При столкновении частиц в коллайдере , частицы до такого размера не сжимаются. Но даже при образовании микроскопической черной дыры, сила её гравитации ничтожно мала и неспособна разрушить нашу вселенную.Для образования черной дыры необходима энергия 10 в 23 степени. В коллайдере энергия 10 в 13 степени. Поэтому миф 2 несостоятелен. Странгены – сгустки странного вещества. Согласно этому мифу столкновение странгена с ядром обычного атома, превращает атом в странную материю, в результате этого столкновения во все стороны разлетаются новые капли этого вещества. Цепная реакция охватывает всю планету и все живое. По этой версии странное вещество заразит весь мир и мир погибнет. Опровержение мифа: в коллайдере получают кварки: down , up , очарованные, странные кварки. Кварки – это то, из чего сделаны другие элементарные частицы. Мы состоим из протонов и нейтронов. В их составе два кварка down , up . Есть странный кварк. Есть частицы, в которые входит странный кварк. В коллайдере сталкиваются протоны и нейтроны, которые не способны при своем столкновении породить странный кварк, следовательно, странное вещество. Поэтому миф 3 несостоятелен. Миф 1 «Антивещество, полученное в коллайдере , уничтожит наш мир» Согласно современным представлениям у каждой частицы есть античастица. Частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в частицы света- фотоны. Утверждение о том, что антивещество, полученное в коллайдере , уничтожит наш мир» – несостоятельно, так как для получения хотя бы 0,25г антивещества необходима работа коллайдера в течение миллиона лет. Но не смотря на 1 опровержение угрозы антиматерии есть и вторая. В 2010 году была опубликована статья где говорится, что ученые CERN смогли создать антиматерию, состоящую из 38 атомов водорода , на долю секунды . Но не смотря на то, что у них получилось создать антиматерию, она просуществовала меньше секунды , что нельзя назвать угрозой для нашей планеты . Поэтому миф 1 несостоятелен. Миф 2 « Черная дыра » Миф 3 Странное вещество « заразит » весь мир

Шум и человек

Рисуем тыкву

Колумбово яйцо

Воздух - музыкант

Неньютоновская жидкость