Лобовое столкновение: элементарные гиганты

      Комментарии к записи Лобовое столкновение: элементарные гиганты отключены

Лобовое столкновение: элементарные гиганты

    Две главные схемы построения коллайдеров. Первая — для частиц с однообразными зарядами либо различными весами, к примеру «протон-протон» либо «электрон-протон», с двумя кольцами магнитов и местами столкновения в регионах пересечения (слева).
    Вторая — для частиц с противоположными по символу равными массами и зарядами, другими словами античастиц и частиц, к примеру «электрон-позитрон», «протон-антипротон», с одним кольцом магнитов, в некоторых точках которого расположены места столкновений пучков Эти три иллюстрации — величайшая надежда физиков. Тут способами компьютерного моделирования продемонстрированы треки частиц при образовании в следствии столкновения долгожданного бозона Хиггса Большой адронный коллайдер — это самая громадная в мире экспериментальная установка аналогичного типа. Она многоступенчатая, любая ступень разгоняет протоны до громадных энергий, пока совокупности магнитов в особых камерах не сведут частицы с их круговых дорог по главному кольцу и не направят их навстречу друг другу Комплекс детекторов ATLAS, расположенный в 100 м под почвой, будет регистрировать столкновения протонных пучков, происходящие 40 млн раз в секунду. Кроме того по окончании предварительного отбора необходимо будет проанализировать огромный количество информации (более 1 млн гигабайт в год), которую будет поставлять ATLAS Комплекс детекторов с практически издевательским заглавием CMS (компактный мюонный соленоид) 16 м в диаметре складывается из множества слоев, любой из которых рекомендован для регистрации определенных частиц

В ускорителях с неподвижной мишенью, обрисованных в прошлом номере «ПМ», далеко не вся кинетическая энергия разогнанной частицы расходуется «по назначению» — другими словами на образование новых частиц либо возбуждение ядра атома мишени. В соответствии с закону сохранения импульса, появившиеся в следствии столкновения частицы должны иметь такой же импульс, как и породившая их частица. А это значит, что большинство кинетической энергии разогнанной в ускорителе частицы перейдет в кинетическую же энергию продуктов реакции.

На переднем крае современной ядерной физики употребляется «тяжелая артиллерия» — ускорители на встречных пучках, либо коллайдеры (от британского collide — сталкиваться). Потому, что частицы в этом случае движутся навстречу друг другу, их импульсы противоположны по символу. В этом случае меньше энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции, и «нужная» энергия выясняется куда больше, чем при ускорителей с неподвижной мишенью.

Редкая порода

Все сейчас действующие коллайдеры возможно перечесть по пальцам. Шесть аналогичных автомобилей разгоняют навстречу друг другу позитроны и электроны. Одна из них, ВЭПП-4M, находится в Российской Федерации, в Университете ядерной физики имени Г. И. Будкера, две — в Соединенных Штатах, одна — в Китае, одна — в Италии и еще одна — в Японии.

В Соединенных Штатах кроме этого действуют протонно-антипротонный коллайдер, известный Тэватрон (TEVATRON), принадлежащий Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми, и брукхейвенский ускоритель RHIC, сталкивающий протоны, ядра дейтерия и тяжелые ионы. Еще сравнительно не так давно в ФРГ трудился неповторимый электронно-протонный коллайдер HERA (Hadron Electron Ring Anlage), но прошедшим летом его закрыли. На протяжении написания данной статьи новосибирские физики отлаживали новый электронно-позитронный коллайдер ВЭПП-2000.

Тэватрон трудится и как ускоритель с неподвижной мишенью, и как коллайдер. В коллайдерном режиме он разгоняет пучки антипротонов и протонов практически до 1 ТэВ, что дает действенную энергию столкновения около 2 ТэВ. Данный рекорд держится вот уже четверть века.

Частицы в Тэватроне доводят до кондиции в пара стадий. Сперва молекулы водорода прогоняют через два линейных ускорителя, где они ионизируются, достигают 400 МэВ, отдают электроны и преобразовываются в протоны. Протоны направляют в бустерный синхротрон.

В том месте они покупают энергию в 8 ГэВ, по окончании чего попадают в еще один вспомогательный ускоритель (так называемый основной инжектор), что доводит их энергию до 120 ГэВ либо 150 ГэВ. Сгустки протонов с энергией 150 ГэВ срочно инжектируют в основной синхротрон, кольцо километрового радиуса, окруженное как простыми, так и сверхпроводящими магнитами. В том месте они разгоняются до 980 ГэВ и покупают скорость в 99,89% световой.

Протоны с энергией 120 ГэВ бомбардируют никелевую мишень и порождают антипротоны. Те планируют в отдельном кольце, а позже попадают в основной синхротрон, где также разгоняются до 980 ГэВ.

Женевский колосс

Самым громадным электронно-позитронным коллайдером до недавнего времени был ускоритель LEP (Large Electron Positron), что трудился в ЦЕРНе в 1989—2000 годах. Сооружение данной автомобили потребовало строительства кольцевого подземного туннеля сечением 3 м и длиной 27 км, пролегающего под территориями Швейцарии и Франции на глубине 50−150 м. На первых порах действенная энергия столкновения частиц не превышала 90 ГэВ, но со временем ее довели до 200 с лишним ГэВ (чуть больше 100 ГэВ на пучок).

Оставшийся от LEP туннель получил вторую жизнь. Сейчас в том месте сооружен ускоритель тяжелых частиц Large Hadron Collider (LHC), Большой адронный коллайдер (БАК), что, по последним прогнозам, вступит в строй во второй половине 2008 года (действительно, настоящие опыты начнутся спустя еще год-полтора). Любопытно, что о нем в первый раз заговорили во второй половине 70-ых годов XX века, в то время, когда и проект LEP еще не был утвержден. В первой половине 90-ых годов двадцатого века эти замыслы взяли предварительную санкцию cовета ЦЕРНа, а три года спустя — окончательную.

Чуть раньше, в октябре 1993 года, американский конгресс отменил программу строительства протонного суперколлайдера на 40 ТэВ из-за ее непомерной дороговизны.

Не смотря на то, что проект БАК пара скромнее, эта машина откроет для физики микромира принципиально новые возможности. Сначала она будет разгонять лишь протоны — до энергии 7 ТэВ (энергия столкновения — 14 ТэВ). Позднее БАК начнёт сталкивать и тяжелые ионы, причем полная действенная энергия их соударений достигнет 1150 ТэВ.

Процесс ускорения, как и на Тэватроне, будет многоступенчатым. Протоны соберут 50 МэВ в линейном ускорителе, а после этого пройдут через три синхротрона, каковые последовательно увеличат их энергию до 1,4 ГэВ, 26 ГэВ и 450 ГэВ. После этого пучки протонов направят в основное кольцо БАК и разгонят во встречных направлениях в двух камерах, окруженных сверхпроводящими магнитами, охлаждаемыми жидким гелием.

На одном из промежуточных этапов предполагается генерировать пучки антипротонов с энергией 2 ГэВ, каковые также отыщут использование в разных опытах.

Встречные протонные пучки пересекутся в выделенных территориях камеры ускорителя, где находятся совокупности магнитов, каковые будут сводить протоны с круговых дорог и направлять их навстречу друг другу. В первое время протонные пучки будут пересекаться каждые 75 наносекунд, но позднее данный промежуток сократят в три раза. В итоге в течение одной секунды будет происходить около 40 млн аналогичных встреч, в каждой из которых примет участие сотня миллиардов частиц.

Фактически все они проскочат мимо друг друга, так что в среднем любая встреча закончится всего 25 настоящими столкновениями (физики именуют их неупругими). Но в перерасчете на секунду это число окажется вовсе не мелким — порядка миллиарда. В случае если учесть, что каждое соударение оставляет за собой ливневой дождь из множества частиц, делается ясно, что анализ экспериментальных данных потребует огромных упрочнений электронных мозгов.

Эти вычисления будут распределены по компьютерным центрам многих государств, среди них и России.

Предъявите регистрацию

Коллайдеры предъявили своеобразные требования к детекторам частиц (см. врезки). Рожденные в коллайдере вторичные частицы различных поколений смогут разлетаться по любым направлениям. Совершенный многоцелевой детекторный комплекс обязан зарегистрировать все эти осколки, за исключением всепроникающих нейтрино и, быть может, каких-то гипотетических частиц, каковые весьма слабо взаимодействуют с простым веществом.

Конечно, что таковой комплекс обязан содержать множество разнообразных специальных регистраторов частиц, другими словами быть мультидетектором. Обычный мультидетектор «полного отлова» — это слоеный цилиндр, охватывающий территорию межчастичных столкновений. Во внутреннем слое расположены кремниевые микроскопы, регистрирующие треки самые короткоживущих частиц, а ближе к периферии — детекторы других типов, такие как черенковские счётчики и дрейфовые камеры.

Внешние слои заполнены жидкими и жёсткими средами (к примеру, железо и жидкий аргон либо свинец), каковые всецело поглощают прочие частицы и фотоны за исключением мюонов и нейтрино. Эти компоненты детектора оснащены собственными регистрирующими устройствами, каковые измеряют полную энергию частицы (благодяря чему данный блок именуют калориметром).

Мюоны фактически свободно попадают через калориметр и регистрируются особыми внешними счетчиками, а нейтрино уходят в окружающее пространство. Очевидно, детектор снабжен магнитами, каковые отклоняют заряженные частицы.

Атлас микромира

Что являются детекторами БАК? На протяжении главного кольца ускорителя рядом с территориями встречи пучков в глубоких кавернах установлены шесть детекторов. Два наибольших, ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, Тороидальный аппарат Громадного адронного коллайдера) и CMS (Compact Muon Solenoid, Компактный мюонный соленоид), предназначены для сбора максимально разнообразной информации о частицах. Практически они будут отслеживать одинаковые превращения, но разными способами.

Остальные четыре детектора — LHCb, ALICE, TOTEM и LHCf — не столь громадны и более специализированы.

Масштабы обоих универсальных детекторов в полной мере сопоставимы с масштабом самого коллайдера. ATLAS — это 7000-тонный многослойный цилиндр длиной 46 м и диаметром 25 м. Детекторный комплекс CMS немного меньше — протяженность 21 м, диаметр 16 м, масса 12 500 т. «Он лишь именуется компактным. В действительности это сооружение величиной с пятиэтажный дом, нафаршированное множеством разнообразных прочих устройств и детекторов.

Общее число электронных каналов, каковые в том месте задействованы, образовывает примерно сто миллионов. Полную цена CMS оценить тяжело, но пологаю, что она приближается к $1 млрд, — растолковывает «Популярной механике» доктор физических наук Флоридского университета Генах Мицельмахер, экспериментатор, что положил много труда в разработку этого детектора. — У комплекса ATLAS три сверхпроводящих электромагнита, а CMS оснащен всего одним — но каким!

В мире нет другого магнита, запасающего такую же энергию магнитного поля — чуть меньше трех гигаджоулей. Внутри его полости расположены кремниевые микроскопы и два калориметра, электромагнитный и адронный. Первый будет измерять энергии электронов, фотонов и позитронов, второй — протонов, нейтронов, пионов и других тяжелых частиц.

Мюоны вольно пройдут через оба калориметра, и исходя из этого пропорциональные камеры для их регистрации установлены вне соленоида. Я и мой итальянский сотрудник Фабрицио Гаспарини возглавляем группу физиков, каковые планируют работать с этими устройствами».

В отыскивании суперсимметрии

Эксперты по физике высоких энергий ожидают запуска БАК и с надеждами, и с опасениями. В случае если затраченные средства не окупятся результатами экстра-класса, оправдать создание еще более замечательной автомобили будет весьма непросто.

«Я пологаю, что нам наконец-то удастся определить, из-за чего не сильный и электромагнитное сотрудничество так отличаются друг от друга, не смотря на то, что их обрисовывают одинаковые фундаментальные уравнения. В этом повинно какое-то нарушение симметрии, и его следы предстоит найти в опытах на новом коллайдере, — говорит один из наибольших физиков-теоретиков отечественного времени, доктор наук принстонского Университета фундаментальных изучений Эдуард Виттен. — Я сохраняю надежду кроме этого, что мы сможем узнать, честна ли теория суперсимметрии. Эта неприятность еще глубже, но возможности современных ускорителей не разрешают ее дать добро».

Большая часть физиков уверены в том, что за нарушение симметрии, которое упомянул Виттен, вероятнее, отвечает механизм Хиггса, теоретически созданный в первой половине 60-ых годов двадцатого века еще до разработки теории электрослабого сотрудничества. Он снабжает появление громадной массы у промежуточных векторных бозонов (переносчиков не сильный сотрудничества), тогда как фотоны (носители электромагнитных сил) остаются безмассовыми.

Исходя из этого радиус не сильный сотрудничества мал, а электромагнитного — нескончаем. Механизм Хиггса постулирует существование скалярного поля, пронизывающего весь обьем и в чем-то напоминающего эфир, столь любимый физиками XIX века. Все частицы за исключением гравитонов и фотонов покупают массу легко вследствие того что это поле сопротивляется их перемещению.

В соответствии с данной модели, то, что мы вычисляем массой, — легко проявление трения частиц о хиггсовское поле. Его кванты должны показывать себя в виде очень сильно нестабильной частицы, хиггсовского бозона. Вычисления подтверждают тот факт, что его масса, по всей видимости, лежит в диапазоне 115−250 ГэВ и, по крайней мере, не превышает 0,5 ТэВ.

Получается, что хиггсовский бозон обязан рождаться в протонных столкновениях на БАК, энергии для этого хватит (любопытно, что Виттен в собственном объяснении об данной частице кроме того не упомянул — "Наверное," он допускает, что несоблюдение электрослабой симметрии может иметь иные обстоятельства; подобного мнения придерживается и Мицельбахер).

«Теория суперсимметрии — одна из самых глубоких концепций теоретической физики ХХ века. Ее придумали в начале 1970-х, причем в трех местах в один момент — в Москве, Харькове и ЦЕРНе.

Речь заходит об особенной геометрической симметрии пространства-времени, из которой именно и вытекает существование частиц-партнеров: у каждого бозона имеется партнер-фермион, а у каждого фермиона — бозон, — поясняет доктор наук теоретической физики Университета Миннесоты Михаил Шифман. — Практически все теоретики считают, что в физике высоких энергий без нее никак не обойтись, но до сих пор нет никаких экспериментальных указаний, что она вправду существует в природе. Я надеюсь, что опыты на Громадном адронном коллайдере распознают следы суперсимметрии.

По крайней мере, ресурсы его детекторов и его энергетические возможности разрешают на это рассчитывать. Подтверждение существования суперсимметрии стало бы одним из наибольших физических открытий за последние пятьдесят лет. В случае если же опыты так же, как и прежде дадут нулевой итог, физика элементарных частиц столкнется с величайшей тайной, потому, что разумных альтернатив суперсимметрии до тех пор пока не существует».

Дорога к новой физике

«БАК обязан проложить дорогу к новой физике. Первым шагом на этом пути стало бы частицы и открытие либо же демонстрация ее отсутствия. При любом раскладе эти опыты разрешат лучше осознать механизм происхождения массы, — говорит физик из Нью-Йоркского университета и ЦЕРНа Гия Двали. — Второй наиболее значимый вопрос — это так называемая неприятность иерархии.

Между энергиями электрослабого сотрудничества и энергетическим масштабом гравитации существует разрыв в 17 порядков. Из-за чего он как раз таков и что его стабилизирует, пока остается под вопросом, не смотря на то, что кандидаты имеются — к примеру, суперсимметрия, о которой упомянули Виттен и Шифман. Но это не единственный вариант. К примеру, нельзя исключать, что не так уж на большом растоянии от электрослабого сотрудничества начинает проявляться квантовая гравитация, которая описывается теорией струн.

Опыты на БАК окажут помощь ответить и на данный вопрос».

Экспериментаторы более конкретны. «Мы будем ловить мюоны посредством многопроводных пропорциональных камер. Многопроводных — это сообщено весьма мягко, число проводов в камере образовывает 2 млн!

Это самые идеальные в мире детекторы данного типа, они способны отслеживать частицы с точностью до ста микрометров, — растолковывает еще один разработчик детектора CMS, доктор наук Флоридского университета Андрей Корытов. — Рождение мюонов часто связано с весьма нетривиальными физическими событиями, каковые мы и будем искать. В частности, бозон Хиггса, наверное, распадается именно на мюоны.

Правильнее, он может распасться и на несколько фотонов, но для этого его масса не должна быть больше 130 ГэВ. А если она лежит рядом от 160 ГэВ, что куда возможнее, хиггс распадается на два W-бозона, любой из которых со своей стороны преобразовывается в несколько мюонов. Вот эти мюонные тетрады мы и сохраняем надежду заметить».

Результаты, о которых говорят Виттен, Шифман, Двали и Корытов, будут взяты (в случае если, само собой разумеется, будут) в следствии анализа межпротонных столкновений. А что возможно ожидать от соударений между массивными ядрами? Спросим доктора наук Университета штата Нью-Йорк в Стони Брук Эдуарда Шуряка, эксперта в области теоретической ядерной физики. «Эти изучения задуманы как продолжение опытов с тяжелыми ионами, каковые уже седьмой год проводятся в Брукхейвене.

Лобовые столкновения массивных ядер порождают плазму, складывающуюся из глюонов и кварков — переносчиков межкварковых сотрудничеств. В нейтронов и протонов кварки так стянуты глюонными цепями, что не смогут оторваться друг от друга. Но в случае если ядра столкнуть при высоких энергиях, эти цепи порвутся и кварки с глюонами получат относительную свободу. Такое состояние именуется кварк-глюонной плазмой, оно в первый раз было получено в Брукхейвене. Сейчас нужно идти дальше.

Мы не знаем, очень сильно либо слабо связаны между собой кварки и плазменные глюоны, в противном случае говоря, на что эта плазма больше похожа — на жидкость либо на газ? Вот это в основном и предстоит узнать».

Оправдаются ли предположения ученых? Ожидать осталось недолго.

Первые детекторы

Детекторы субатомных частиц (наименование «элементарные частицы» стало медлено выходить из потребления) показались большое количество раньше первых ускорителей. В этом качестве сперва использовали обычные фотопластинки (как раз с их помощью была открыта радиоактивность), к каким после этого присоединился газоразрядный счетчик, изобретенный помощником Резерфорда Гансом Гейгером в 1908 году. Приблизительно тогда же Резерфорд создал несложный сцинцилляционный счетчик, покрытый сернистым цинком экран, что под ударами альфа-частиц испускал не сильный вспышки света.

В 1911 году Чарльз Вильсон выстроил первый прибор, разрешивший возможность фотографировать траектории заряженных частиц. Проходя через камеру с пересыщенным паром, частица оставляет за собой ионный след, а сконденсировавшийся на ионах пар повторяет рисунок

ее траектории. В случае если такую камеру поместить в магнитное поле, то по кривизне трека возможно выяснить знак и импульс частицы ее заряда. Впредь до середины ХХ века камера Вильсона и похожая на нее диффузионная камера оставались единственными устройствами, владеющими подобными возможностями.

В 1930—1940-е годы гейгеровские камеры и счётчики Вильсона применяли как для детектирования космических лучей, так и для оснащения ускорителей. Во второй половине 40-х годов показались отличные толстослойные фотоэмульсии, каковые превратились в новую разновидность трековых детекторов.

Современные детекторы

В ветхой хорошей камере Вильсона пар очень сильно разрежен, и исходя из этого ультрарелятивистская частица может пролететь большое расстояние, не ионизировав ни единого атома. Для полной обрисовки трека необычной частицы со сроком судьбы порядка 10−8 секунд нужна технически неосуществимая камера в сотню метров длиной. К тому же паровой камере необходимо не меньше 60 секунд для восстановления рабочего состояния.

Синхротроны 1950-х годов выстреливали порции протонов каждые две-три секунды, так что для них потребовалось что-то иное.

Первым трековым детектором нового поколения стала пузырьковая камера, которую в первой половине 50-ых годов двадцатого века изобрел американец Дональд Глазер. По сути, это та же вильсоновская камера, но заполненная не паром, а перегретой жидкостью (жидкий водород, пропан, фреоны и т. п.). Заряженная частица оставляет за собой ионизированные атомы, около которых образуются небольшие пузырьки пара.

Они растут, становятся видимыми и образуют след, что для получения стереоскопической картины в один момент фотографируют с нескольких направлений. Потому, что жидкость большое количество плотнее газа, пузырьковая камера разрешает отслеживать все этапы судьбы частицы на довольно маленькой дистанции; к тому же цикл изготовление перегретой жидкости занимает всего около секунды. Но у нее имеется значительный минус: количество частиц, зарегистрированных в течение одного цикла, мало.

Этого недочёта нет у искровых камер, показавшихся в конце 1950-х. Сперва они представляли собой загружённые в инертный газ параллельные железные пластины, поделённые миллиметровыми щелями. В то время, когда в камеру попадала заряженная частица, на пластины подавали маленький высоковольтный электрический импульс и между соседними пластинами появлялась разность потенциалов.

Потому, что пролетающая заряженная частица ионизировала газ, на протяжении ее дороги появлялись искровые разряды, координаты которых передавались в память компьютера. Анализ этих разрешённых позволял восстановить трек частицы. Позднее вместо пластин стали использовать параллельно натянутые провода, что очень сильно улучшило пространственное разрешение прибора.

Продвинутые искровые камеры в тысячи раз опередили пузырьковые и по скорости, и по числу детектируемых частиц.

Искровые камеры были в ходу до 1970-х, а после этого их поменяли более идеальные аналоги — многопроводные пропорциональные и дрейфовые камеры . Позднее показались полупроводниковые детекторы — кремниевые, германиевые а также алмазные (кое-какие разновидности природных и неестественных алмазов не изоляторы, а полупроводники). Кремниевый детектор складывается из поделённых узкими промежутками параллельных полос кремния шириной примерно сто микрометров.

Пролетающая заряженная частица опять-таки оставляет за собой трек из ионизированных атомов, что фиксируют электронные устройства. Посредством кремниевых микроскопов удалось зарегистрировать B-мезоны (время судьбы — 10−13 секунд), каковые распадаются, пролетев всего 300 микрометров.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№61, ноябрь 2007).

Секунды до катастрофы / Столкновение в небе / National Geographic / HDTV 720p


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: