такой счетчик
Простейший ускоритель состоит из… одного-единственного кристалла, обладающего пироэлектрическими свойствами, то есть способного электризоваться при нагреве. В некоторых кристаллах, например LiTaO3, удается достичь разности потенциалов до ста тысяч вольт. Находящиеся поблизости свободные электроны и ионы под действием электрического поля разгоняются до энергий порядка 100 кэВ — этого уже достаточно для изучения некоторых ядерных процессов. Например, в 2005 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела запустить на этом природном мини-ускорителе реакцию термоядерного синтеза. Правда, для энергетики эта схема не представляет интереса из-за чрезвычайно низкого КПД.
Пироэлектрические кристаллы — скорее курьез, но этот пример иллюстрируют главную идею, лежащую в основе всех ускорителей: заряженные частицы ускоряются электрическим полем. И потому современные ускорители — это в первую очередь результат развития электротехники в сочетании, конечно, с достижениями других разделов физики, применяемых для решения возникающих проблем.
Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.
10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.
Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. 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 (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).
Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом в 1928 году, хотя идеи о «протонной карусели» в магнитном поле ранее высказывались норвежцем Рольфом Видероэ (Rolf Wideroe). Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, дуантов, внутри которых вращаются частицы. На края зазора подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.
Принципиально важно, что пока скорость электронов существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени.
Первый построенный Лоуренсом циклотрон имел чуть больше 10 см в диаметре и разгонял частицы до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-мэвному многометровому гиганту в 1946 году, но дальнейший рост размеров оказался сопряжен со слишком большими техническими сложностями (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом пучку раскручиваться по спирали). Чтобы избавиться от этих проблем вместо огромного диска частицы стали запускать в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускоритель такого типа получил название синхротрон. В основе многих современных ускорителей, в частности в основе LHC, лежит принцип синхротрона.
Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством Бруно Тушека, американцами из Принстона и Стэнфорда и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную мишень, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. Поэтому в коллайдерах могут возникать намного более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.
1 комментарий БАК
Характеристики LHC впечатляют. В каждой из двух кольцевых труб длиной 27 километров будет циркулировать протонный пучок, состоящий из 2 808 сгустков по 100 миллиардов протонов в каждом. Его поперечник 0,03 мм, а суммарная масса всех протонов в пучке меньше 1 нанограмма (10-9 г) — легче пылинки, но в них запасена чудовищная энергия: 300 мегаджоулей, что сопоставимо с кинетической энергией самолета или 100 кг тротила. Не удивительно, что предусмотрены все возможные меры безопасности, начиная от системы слежения за пучком и заканчивая специальным« «аварийным выходом» для него: в случае дестабилизации пучка специальные магниты в считанные доли миллисекунды уведут его по длинному туннелю в бункер, где он поглотится огромной графитовой мишенью. Еще большая энергия — 10 миллиардов джоулей — запасена в нескольких тысячах сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре лишь на два градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре жидкий гелий, используемый для охлаждения, становится сверхтекучим и у него резко повышается теплопроводность, что помогает охлаждать установку. Все эти магниты уже смонтированы и в целях безопасности тестируются на «выживание» в разных нештатных ситуациях.
Несмотря на огромные размеры и энергии, LHC является чрезвычайно точным прибором. Достаточно сказать, что для его успешной работы придется принимать во внимание и положение Луны и Солнца. Вызываемые ими приливы в литосфере ежедневно поднимают и опускают окрестности Женевы на 25 см. В результате периметр ускорительного кольца меняется примерно на один миллиметр, а это будет приводить к небольшим изменениям энергии пучков.
Вокруг Света
1 комментарий Столкновение на встречных курсах
В 2008 году в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН, расположенном на границе Швейцарии и Франции вблизи Женевы, начнет работать на полную мощность Большой адронный коллайдер LHC (Large Hadronic Collider) — главный физический эксперимент десятилетия. С ним специалисты связывают надежды на новую революцию в физике микромира. За сто лет, в течение которых человечество изучает элементарные частицы, ускорительная и регистрирующая техника прошла огромный путь. Ее развитие опиралось на многочисленные научные достижения и инженерные решения и ознаменовалось несколькими нобелевскими премиями. Создание коллайдера LHC вместе с гигантскими детекторами — это одна из самых сложных научно-технических задач, которые когда-либо предстояло решить.
Задача ускорителя — разогнать частицы до большой энергии, столкнуть их друг с другом, а затем — дать ученым посмотреть, что из этого выйдет. Однако первоначально целью физиков было — не разломать атомы и ядра, а разглядеть их «внутреннее устройство». Ускоритель, словно микроскоп, позволяет увидеть чрезвычайно мелкие детали строения вещества.
Когда мы рассматриваем маленький предмет в микроскоп, мы освещаем его и наблюдаем, как свет отражается или рассеивается на предмете. Но у микроскопа есть физическое ограничение: в него нельзя увидеть объекты размером меньше длины световой волны. Для видимого света это примерно полмикрона.
Более мелкие объекты позволяет различить электронная микроскопия: вместо света предмет« «освещают» пучком электронов и смотрят, как они рассеиваются. Чем больше энергия электронов, тем меньше их длина волны, а значит, мельче детали, которые можно увидеть. Энергия в несколько килоэлектронвольт позволяет« «разглядеть» отдельные крупные молекулы. Атомное ядро« «видно» только на ускорителе при энергии электронов в сотни мегаэлектронвольт, а структуру протона можно изучать, лишь достигнув энергии около 1 ГэВ. (Энергия в 1 электрон-вольт равна 1,6.10-19 Дж.)
Превысив энергию в 1 ГэВ, физики словно 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. Поначалу специалисты были этому не слишком рады: одно дело, когда весь мир состоит из электронов, протонов и нейтронов, а другое — когда в эксперименте вы получаете еще пару сотен нестабильных частиц. Но постепенно ситуация прояснилась, и сейчас мы знаем, что эти нестабильные частицы во многом определяют строение нашего «обычного» мира.
Именно поэтому главная задача ускорительных экспериментов сегодня — разогнать частицы до максимально высокой энергии и проникнуть в мир тяжелых частиц. Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе позволит изучить неведомый ранее мир частиц с массой около 1 ТэВ. Физики уверены, что именно в этой области масс будет обнаружен предсказанный теоретически, но до сих пор неуловимый бозон Хиггса, дающий ключ к окончательному пониманию слабых и электромагнитных сил и одновременно открывающий новые перспективы для развития физики микромира.
Вокруг света
86 комментариев Зачем вообще нужен Большой адронный коллайдер?
В этом году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось». Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к собственной бабушке и скажу: посмотри-ка, пожалуйста, — из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но экспериментально существование бозона пока не подтверждено: все надежды — на ускоритель LHC.
Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.
Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?
Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.
Комментирует член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий Сергей Денисов:
— В этом коллайдере участвует много российских физиков, которые связывают определенные надежды с открытиями, которые могут там произойти. Основное событие, которое может случиться – это открытие так называемой гипотетической частицы Хиггса (Питер Хиггс – выдающийся шотландский физик. ). Роль этой частицы чрезвычайно важна. Она ответственна за образование массы других элементарных частиц. Если такую частицу откроют, то это будет величайшим открытием. Оно подтвердило бы так называемую Стандартную модель, которая сейчас широко используется для описания всех процессов в микромире. Пока эта частица не будет открыта, эту модель нельзя считать полностью обоснованной и подтвержденной. Это, конечно, самое первое, чего ученые ожидают от этого коллайдера (LHC).
Хотя, вообще говоря, никто не считает эту Стандартную модель истиной в последней инстанции. И, скорее всего, по мнению большинства теоретиков, она является приближением или, иногда говорят, «низкоэнергетическим приближением» к более Общей теории, которая описывает мир на расстояниях в миллион раз меньших, чем размер ядер. Это примерно как теория Ньютона является «низкоэнергетическим приближением» к теории Эйнштейна – теории относительности. Вторая важная задача, связанная с коллайдером – это попытаться перейти за пределы этой самой Стандартной модели, то есть совершить переход к новым пространственно-временным интервалам.
Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом.
Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи. Скажу одно, что на БАКе могут быть открыты совершенно новые свойства пространства и времени. В каком направлении они будут открыты – сейчас сказать трудно. Главное – прорываться дальше и дальше.
Справка
Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) – крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. К настоящему времени число стран-участниц выросло до 20. Около 7000 ученых, представляющих 500 научных центров и университетов, пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Кстати, в работе над Большим адронным коллайдером принимал непосредственное участие и российский Институт ядерной физики СО РАН. Наши специалисты сейчас заняты монтажом и тестированием оборудования, которое разработано и произведено в России для этого ускорителя. Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет запущен в мае 2008 года. Как выразился Лин Эванс, глава проекта, ускорителю не хватает лишь одной детали – большой красной кнопки.
10 комментариев Возможность машины времени
Человечество ждет чуда, которое предсказывали много веков назад
БАК и Питер Хиггс.
В ближайшее время в Европейском центре физики частиц (ЦЕРН) пройдут испытания Большого адронного коллайдера – самого мощного ускорителя частиц в истории науки. Некоторые исследователи предполагают, что его испытание может привести к созданию так называемой "машины времени". Мнения ученых как всегда разделились. Кто-то относится к такой перспективе весьма скептически. «В любом случае запуск БАКа может кардинально перевернуть наши представления о пространстве и времени», – сказал MK.Ru член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий. По его словам, мы, вероятно, находимся на пороге революции представлений о природе.
Физики всего мира с нетерпением ждут запуска Большого адронного коллайдера (БАК) ценой 4,65 млрд фунтов – самого мощного ускорителя частиц в истории. Как ожидается, это устройство позволит получить новую информацию о частицах и силах, действующих в космосе, а также воспроизвести условия, близкие к имевшим место вскоре после "большого взрыва", породившего Вселенную.
Идея реализации возможности путешествовать во времени родилась, когда коллега великого Эйнштейна Курт Гедель при помощи теории относительности доказал принципиальную возможность перемещения в прошлое. После появления его гипотезы в 1949 году физики нередко пытались опровергнуть подобную идею, поскольку путешествия во времени подрывают принцип причинности.
Каким образом
комментировать Что случится в 2008 году
Главные тенденции наступающего года — от брачного контракта до устройства Вселенной и мировой войны
Изменится ли физическая картина мира?
В 2008 году официально запустят самый сложный, дорогой и масштабный физический инструмент в мире — Большой адронный коллайдер. Уже в мае, если все сложится благополучно, в 27−километровом туннеле на границе Франции и Швейцарии начнут сталкиваться друг с другом пучки частиц — протонов или ионов свинца, разогнанных до околосветовой скорости.
Среди продуктов таких столкновений может встретиться что угодно — от микроскопических (но вполне настоящих) черных дыр до кварк-глюонной плазмы, «протовещества» Вселенной, из которого та целиком состояла в первые микросекунды после Большого взрыва, и плюс к тому целый «зоопарк» новых элементарных частиц, пока только теоретически предсказанных или не предсказанных вовсе.
Главный из ожидаемых переломов в физике — подтверждение (или опровержение) теории струн, связывающей гравитацию с электрослабыми взаимодействиями (и потому претендующей на роль «теории всего»). Черные дыры в коллайдере, если они будут замечены, могут стать самым убедительным подтверждением этой теории. Другой результат, которого особенно ждут от коллайдера, — частицы «темной материи», которой, по мнению астрономов, в космосе больше, чем обычной.
Но повод воскликнуть «Эврика!», не отходя от коллайдера, ученым вряд ли представится: им предстоит долго разбирать по миллиону гигабайт цифр, выдаваемых детекторами каждый месяц, и уже там искать признаки рождения черной дыры либо легендарного бозона Хиггса.
Самые трудоемкие расчеты сделают распределенными, то есть к ним подключатся тысячи компьютеров по всему миру и в них сможет поучаствовать каждый интернет-пользователь. Так что повод переписать все учебники физики может дать ноутбук какого-нибудь шестиклассника.
Что нам это даст? Осознание того, что мир еще сложнее и интереснее, чем мы думали в прошлом году.
Вероятность: 8 из 10.
Что может помешать? Поломка — запуску (из-за проблемы с магнитами его уже переносили на полгода), избыток данных — интерпретации результатов, сложность мироустройства — успеху всей затеи.
комментировать Большой Адронный Коллайдер (Large Hadron Collider, LHC)
Каноничная картинка (масштаб не соблюден, глубина примерно 100 метров, а длина туннеля 26.7 км)
:
Коллайдер это ускоритель (в случае LHC — кольцевой), в котором сталкиваются два пучка элементарных частиц. LHC строится с 2001 года в туннеле на границе Франции и Швейцарии, где раньше располагался электронно-позитронный коллайдер LEP. На LHC установлены 4 крупных детектора:
ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus)
поиск бозона Хиггса и явлений вне Стандартной модели
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCb (The LHC beauty experiment)
исследование физики b-кварков
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
поиск кварк-глюонной плазмы
О том, насколько много данных будет выдавать коллайдер, свидетельствует тот факт, что, несмотря на аппаратно реализованную трехуровневую фильтрацию «неинтересных» событий, LHC будет генерировать в среднем 500 мегабайт данных в секунду.
LHC будет работать до 2020-х годов, собирая экспериментальный материал. Но есть надежда, что первые значимые результаты появятся уже к концу следующего года. Без всякого сомнения, технический и научный опыт, который был получен при его создании и будет получен при его использовании, сыграет огромную роль в прогнозируемом создании к середине 21-го века Очень Большого Адронного Коллайдера (The Very Large Hadron Collider (VLHC)).
Предположительно на LHC могут быть обнаружены магнитные монополи. Это общее название для гипотетических частиц, обладающих ненулевым магнитным зарядом. Еще Дирак предсказал потенциальную возможность их существования.
2 комментариев Под Женевой сооружается невиданный по мощности ускоритель.
Статья немного устарела, но сойдет для понимания общей картины. Основная мысль, что дыр не будет.
8 комментариев Появление черных дыр в результате запуска большого адронного коллайдера
В июле на границе Франции и Швейцарии будет запущен Большой адронный коллайдер, создававшийся на протяжении 14 лет. Это самый большой в мире ускоритель элементарных частиц. На глубине 100 метров по кольцу диаметром 27 километров заряженные частицы будут разгоняться почти до скорости света. Будет воссоздана модель Большого взрыва, благодаря которому и появилась наша вселенная.
Протонам предстоит столкнуться с невиданной доселе энергией – 14 терраэлектронвольт – в миллион раз больше, чем при единичном термоядерном синтезе. Сталкиваясь, они образуют миллионы осколков, которые и предстоит исследовать.
С их помощью ученые надеются значительно продвинуться в понимании, откуда появилась материя и время.
В большом адронном коллайдере физики хотят поймать бозон Хиггса, именуемый также «частицей Бога». На теоретическом обосновании ее существования строятся все современные теории происхождения вселенной. Если «частицу Бога» не найдут, все аккуратно выведенные физиками законы окажутся всего лишь неверными гипотезами. Но Уолтера Вагнера и Луиса Санчо пугает не это. Ученые в своем любопытстве зашли слишком далеко. При столкновении частиц с такой энергией в ускорителе могут образоваться межвременные завихрения или черная дыра. Ее масса начнет расти, сначала она всосет в себя сам коллайдер, затем Швейцарию, Европу, да и всю нашу планету.
Российские участники проекта говорят, что само появление подобных дыр почти невероятно. Но в любом случае их не стоит путать с астрономическими черными дырами. Со своей ничтожной массой рукотворные завихрения просуществуют меньше секунды. Узнать, была ли дыра, можно только изучив продукты распада фотонов.
2 комментариев Путешествие в шахту большого адронного коллайдера
12 queries. 0.407 seconds.