Читать онлайн учебники
на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 30. Большой адронный коллайдер

  1. Сравните теории происхождения Вселенной и древние легенды и мифы разных народов о сотворении мира.
  2. Назовите основные этапы возникновения и эволюции Вселенной.

Монтаж и установка коллайдера. Проект создания Большого адронного коллайдера (от англ. collide — сталкиваться, циклический ускоритель на сталкивающихся пучках), который должен был заменить менее мощные установки, появился в 1984 г. Поскольку расчётная стоимость проекта значительно превышала расходы полёта на Луну, понадобилось долгих 10 лет, чтобы убедить ведущие державы в необходимости финансирования самого дорогостоящего физического эксперимента в истории человечества. Подумать только: в строительные работы, изготовление, монтаж и запуск коллайдера необходимо было направить около 9,8 миллиарда долларов! Тем не менее в 2001 г. реализация проекта была начата.

К проектным, конструкторским и научным исследованиям по созданию коллайдера было привлечено более 10 тыс. учёных из 100 стран мира.

В качестве площадки для размещения циклического ускорителя был выбран тоннель длиной 27 км, расположенный на глубине от 50 до 175 м на границе Франции и Швейцарии, недалеко от Женевы (рис. 133).

Рис. 133. Аэросъёмка участка земной поверхности, под которой расположен Большой адронный коллайдер

В подземном тоннеле были установлены два полых кольца — трасса для движения заряженных частиц. Для разгона протонных пучков и удержания их на круговой орбите на коллайдере были установлены 1624 сверхпроводящих магнита. Магниты приобретают сверхпроводимость при охлаждении до температуры 1,9 К (-271 °С). Это лишь чуть выше температуры абсолютного нуля, ниже температуры открытого космоса. Такое глубокое охлаждение достигается за счёт использования нескольких тонн жидкого гелия, температура кипения которого составляет всего 4 К.

На всём протяжении трассы в точках столкновения встречных потоков частиц были установлены 6 детекторов различной конструкции и назначения, способных регистрировать всё происходящее (рис. 134).

Рис. 134. Монтаж одного из детекторов коллайдера — «ATLAS»

Во второй половине 2008 г. пусконаладочные работы на коллайдере были завершены, и 21 октября состоялось официальное открытие ускорителя.

Принцип действия коллайдера. Принцип действия ускорителя заключается в следующем. В коллайдер вводятся протоны, которые собираются в 2808 пучков, по 1,15 • 1011 частиц в каждом пучке. Под действием электромагнитного поля положительно заряженные протоны разгоняются по круговым орбитам во встречных направлениях до фантастической скорости — лишь на 0,000002% меньше скорости света. При таких скоростях 27 км тоннеля (рис. 135) протоны пролетают менее чем за 0,0001 с, т. е. за 1 с они делают около 11 тыс. оборотов.

Рис. 135. Участок кольца коллайдера в тоннеле

При выходе коллайдера на максимальную проектную мощность энергия каждого протона достигнет 7 ТэВ (тераэлектронвольт). Много это или мало? Для начала напомним, что возрастание какой-либо физической величины на каждые 3 порядка (в тысячу раз) обозначается приставками: «кило-», «мега-», «гига-», «тера-». Например, тактовая частота процессора вашего компьютера составляет порядка 2,5 ГГц. Наверное, вы бы не отказались «превратить» её в терагерцы, т. е. увеличить в 1000 раз.

Итак, энергия движущегося с максимальной скоростью протона составляет 7 ТэВ (7 • 1012 эВ), или 10-6 Дж. Эта величина сравнима с кинетической энергией летящего комара. Всего-то? Не торопитесь с оценками. Вспомните, какое громадное количество протонов сталкивается в коллайдере. А теперь подсчитаем их суммарную энергию:

2808 пучков • 1,15 • 1011 протонов х
х 10-6 Дж = 323 • 106 Дж, или 323 МДж.

Получается, что при соударении такого количества протонов выделяется энергия, эквивалентная взрыву 100 кг тротила, а суммарная кинетическая энергия протонов сравнима с кинетической энергией летящего реактивного самолёта! В результате резкого возрастания температуры при соударении протоны должны распасться на минимально возможные составляющие, образуя вещество в первозданном состоянии — так называемую кварк-глюонную плазму.

Таким образом, благодаря Большому адронному коллайдеру человечество сможет проникнуть так глубоко внутрь структуры материи, как никогда раньше.

Задачи, которые ждут решения. На какие вопросы мы получим ответы с помощью экспериментов на коллайдере? Какие теоретические гипотезы будут подтверждены или опровергнуты? Почему в средствах массовой информации высказываются сомнения относительно безопасности проведения экспериментов на коллайдере? Сначала определимся с задачами, которые ждут решения.

1. Происхождение массы.

Казалось бы, парадоксальная постановка вопроса. Тем не менее такое знакомое нам всем понятие, как «масса», ещё мало изучено. Согласно теории А. Эйнштейна, масса и энергия связаны соотношением:

E = mc2.

Мы уже говорили, что, по мнению учёных, все известные взаимодействия обеспечиваются особыми частицами, в частности бозонами. В 1960 г. шотландский физик П. Хиггс (р. 1929) высказал предположение, что всё окружающее нас пространство заполнено полем, впоследствии получившим название хиггсов-ского. В результате взаимодействия с этим полем, которое проходит через всю Вселенную, любая элементарная частица приобретает энергию, а следовательно, в соответствии с формулой Эйнштейна, и массу. Взаимодействие поля с частицей происходит благодаря так называемым бозонам Хиггса. Получается, что таинственный бозон Хиггса является как бы творцом всего во Вселенной. Именно поэтому нобелевский лауреат Л. М. Ледерман (р. 1922) назвал этот бозон «частицей-богом». В средствах массовой информации такое название трансформировалось в не совсем корректные «божественная частица», «частица Бога». Если бозон Хиггса действительно существует, его надеются зафиксировать с помощью Большого адронного коллайдера (рис. 136).

Рис. 136. Моделирование, демонстрирующее рождение бозона Хиггса

2. Происхождение Вселенной.

Эксперимент на Большом адронном коллайдере позволит смоделировать состояние вещества в первые мгновения рождения Вселенной.

Напомним, что учёные полагают, будто давным-давно Вселенная была сжата до объёма не больше песчинки. Все частицы, из которых сегодня состоит окружающий нас мир, находились в несвязанном состоянии. Более 14 млрд лет назад произошёл Большой взрыв, в результате чего частицы начали разлетаться в разные стороны, охлаждаться, взаимодействовать между собой и объединяться в более сложные частицы. В первые мгновения из кварков образовались адроны (в том числе протоны и нейтроны). Через секунду после Большого взрыва температура Вселенной понизилась до 109 К, из протонов и нейтронов начали образовываться ядра атомов. Спустя 300 тыс. лет в основном сформировались атомы всех известных химических элементов, а также состоящие из них вещества, и начали образовываться планеты и галактики. За счёт расширения на протяжении 14 млрд лет своего существования Вселенная остыла до температуры около 2,7 К и приобрела такие колоссальные размеры, что даже свет проходит её за миллионы лет. При этом расстояния между галактиками продолжают увеличиваться — Вселенная расширяется.

Столкновение элементарных частиц позволяет в миниатюре воссоздать картину мироздания в первые мгновения после Большого взрыва — в состоянии кварк-глюонной плазмы. И учёные, пытаясь таким образом проникнуть в глубь элементарных частиц, с помощью коллайдера решают ещё и загадку рождения Вселенной.

3. Исчезновение античастиц.

Учёные предполагают, что в момент Большого взрыва Вселенная была симметрична, т. е. наряду с частицами вещества в равном количестве должны были образоваться частицы антивещества — их зеркального отражения. Например, античастицей для электрона является позитрон — частица с противоположными свойствами, имеющая положительный, а не отрицательный заряд. Однако сегодня во Вселенной удаётся обнаружить только вещество. Куда же девалось антивещество? Полагают, что Большой коллайдер даст уникальную возможность понаблюдать за рождением и дальнейшей судьбой антивещества.

      Непонятны
      голоса галактик,
      различимые едва-едва.
      Непонятно,
      кто и как наладит
      производство антивещества.
      Смотрит в небо жерло телескопа,
      от земных волнений отстранясь.
      Звёзды
      мы поймём ещё не скоро, —
      слишком далеко
      они
      от нас!

/Р. Рождественский/

В конце лета 2008 г. завершился длительный, продолжавшийся несколько месяцев процесс охлаждения электромагнитов, которым предстояло ускорять, направлять и фокусировать пучки протонов в вакуумных трубах. Охлаждение обмоток этих электромагнитов до перевода их в сверхпроводящее состояние необходимо для того, чтобы выдержать токи, требуемые для создания мощнейшего магнитного поля. Всё было готово для проведения экспериментов с реальными пучками протонов, однако неожиданный инцидент отодвинул ожидания учёных более чем на год.

На Большом адронном коллайдере 19 сентября 2008 г. произошла серьёзная авария. Поломка одной из деталей повредила систему охлаждения, и тонна жидкого гелия вылилась прямо в тоннель. Как вы знаете, гелий — это простое вещество, относящееся к семейству благородных газов. Этот газ вполне оправдывает прежнее название родственных веществ, образованных элементами главной подгруппы VIII группы Периодической системы Д. И. Менделеева, — инертные газы. Гелий настолько индифферентен к атомам остальных химических элементов, что до сих пор не удалось получить ни одного соединения гелия. Именно поэтому гелий относительно безвреден для организма человека и животных. Ни один специалист, работавший в то время на коллайдере, не пострадал. Технические же поломки оказались достаточно серьёзными. Выяснилось, что замене подлежало более 20 сверхпроводящих магнитов, масса некоторых из них достигала 30 т. На ремонт и восстановление коллайдера ушло больше года.

Первые столкновения пучков протонов удалось осуществить в ноябре 2009 г. Энергия соударений была в полтора десятка раз меньше максимальной, но переход на новую ступень в исследовании вещества был дан. Год спустя были получены первые научные результаты. Коллайдер заработал ещё не в полную мощность, но столкновения протонов с энергией 3,5 ТэВ привело к образованию частиц, косвенно свидетельствующих о том, что существование бозонов Хиггса — не миф, а реальность. Однако, чтобы с уверенностью говорить о существовании «частицы-бога», необходимо накопить значительный экспериментальный материал.

Наконец, в июне 2011 г. мир облетело сообщение, что учёным удалось получить и в течение 16 мин удерживать атомы антиводорода — частиц, образованных отрицательно заряженным ядром и положительно заряженным позитроном.

Вопрос безопасности при работе коллайдера. Насколько безопасны эксперименты на коллайдере? Опасения некоторых учёных, подхваченные средствами массовой информации, рисуют следующую апокалиптическую картину. Искусственное получение бозонов Хиггса приведёт к неуправляемому скачкообразному росту массы, в результате появится чёрная дыра, куда затянет всю материю если не Вселенной, то, по крайней мере, нашей планеты. Всё живое прекратит своё существование, и вся материя вновь соберётся в мельчайшую песчинку, затем вновь последует Большой взрыв. Появилась даже расхожая шутка: «У физиков есть замечательная традиция: один раз в 14 млрд лет они собираются вместе, чтобы построить Большой адронный коллайдер... »

Учёные, отвечающие за безопасность работы коллайдера, утверждают: пророчества скептиков не могут сбыться, потому что все эксперименты, которые физики надеются провести на коллайдере, происходят в природе постоянно. Дело в том, что энергии в 7 ТэВ для элементарных частиц во Вселенной не является необычной. На самом деле частицы такой и даже большей энергии каждую секунду врезаются в скафандр космонавта, вышедшего из космического корабля. С той же частотой они бы бомбардировали и наши тела, не будь у Земли атмосферы. Воздушная оболочка спасает нас от этих частиц, которые зовутся космическими лучами.

Вывод учёных однозначен: бояться нечего. Вероятность гибели человечества в результате удара астероида, вспышки ближайшей к Земле сверхновой звезды или новой мировой войны существенно больше, чем шансы уничтожить Вселенную при запуске Большого адронного коллайдера.

Стоят ли научные результаты, которые надеются получить на Большом адронном коллайдере, таких огромных средств? Вложения в науку тем и отличаются от вклада в банке, что заранее неизвестно, какой доход вы будете иметь. Постепенно, шаг за шагом научные открытия изменяют нашу повседневную жизнь, подарив нам радио, телевидение, компьютеры, Интернет, новые методы лечения и диагностики. Уже сегодня физика высоких энергий в этом смысле «чиста» перед обществом — она окупила вложенные в неё средства сполна. В экспериментах на Большом адронном коллайдере принимают участие самые талантливые учёные со всего мира, которых привлекает эта фундаментальная область науки, работающая на краю знания и незнания.

Теперь вы знаете

  • в чём заключается принцип действия коллайдера
  • задачи, которые ждут решения
  • как решаются вопросы безопасности при работе коллайдера

Теперь вы можете

  • подсчитать суммарную энергию протонов, сталкивающихся в коллайдере
  • перечислить вопросы, которые могут быть решены только с помощью экспериментов, проводимых на Большом адронном коллайдере
  • доказать, что коллайдер безопасен для окружающего мира и предположения об апокалипсисе — конце света — в связи с ним несостоятельны

Выполните задания

  1. Опишите, как устроен Большой адронный коллайдер, за счёт чего достигается сверхпроводимость установленных на нём магнитов, в чём состоит принцип его работы.
  2. Длина окружности Большого адронного коллайдера составляет 26 659 м. Рассчитайте его радиус и диаметр.
  3. Во время аварии на Большом адронном коллайдере в тоннель вылилась 1 т жидкого гелия. Рассчитайте количество вещества потерянного гелия и объём, который это количество вещества занимает при нормальных условиях.
  4. Математики обнаружили интересный факт: отношение массы протона к массе электрона равно 6п5. Ответьте, во сколько раз протон тяжелее электрона.

Темы для рефератов

  1. Бозон Хиггса и его значение для науки.
  2. Антивещество и антимир.
  3. Тайна рождения Вселенной.
  4. Участие российских учёных в работе Большого адронного коллайдера.

Рейтинг@Mail.ru