Воскресенье, 25.06.2017, 19:30

Приветствую Вас Гость | RSS
Главная | Каталог статей | Регистрация | Вход
Форма входа

Основное меню

Категории раздела
Школьные учебники [17]
Астрономия [17]
Тестирование [6]
Современная физика [6]
Лабораторные работы [3]
Документы [3]
Наши опросы [2]
Олимпиада [2]
Исследовательская работа [1]

Наш опрос
Как часто старшеклассники пользуются услугами репетитора?
Всего ответов: 395

Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Главная » Статьи » Современная физика

Ускорители. 4. Коллайдер – большой и адронный

Вот мы и подошли к главному герою нашего рассказа – Большому адронному коллайдеру. Для начала разберемся, что же такое коллайдер.

Если мы собираемся исследовать взаимодействие частиц, то не обязательно направлять пучок в мишень. Можно попробовать столкнуть пучки лоб в лоб. Идею реализовать не так просто, как кажется. Итак, коллайдер –  ускоритель на встречных пучках, чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.

К данному типу ускорителей относится Теватрон – кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в городке Батавия штата Иллинойс, недалеко от Чикаго.

Теватрон – кольцевой ускоритель-коллайдер, лаборатория им. Энрико Ферми в штате Иллинойс, недалеко от Чикаго.

Теватрон – синхротрон, ускоряющий заряженные частицы – протоны и антипротоны в подземном кольце длиной 6.3 км до энергии 980 ГэВ (~ 1 ТэВ), отсюда машина получила свое имя – Теватрон. Строительство Теватрона было закончено в 1983 году, стоимость постройки – около 120 млн долл. С тех пор Теватрон претерпел несколько модернизаций. Наиболее крупной было строительство Главного Инжектора, проводившееся в течение 5 лет (1994–1999). До 1994 года каждый пучок ускорителя имел энергию 900 ГэВ.

Как мы убедились, современные ускорители – сложнейшие комплексные сооружения. Каждый из них уникален. Поэтому каждый ускоритель имеет свое имя. Например, Нуклотрон или Теватрон.

Не будем перечислять все современные ускорители, а остановимся только на одном, без которого наше дальнейшее повествование будет неполным.

Большой электрон-позитронный коллайдер был построен в долине Женевского озера на глубине ста метров. Был вырыт кольцевой туннель общей длиной 27 километров. Качество подземных работ было столь высоким, что, когда в 1988 году два конца туннеля соединились, расхождение между ними составило всего один сантиметр. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц.

Ускоритель неоднократно перестраивался для достижения все больших энергий частиц. К концу 2000 года на нем была достигнута энергия в 209 ГэВ (на каждый из встречных пучков приходится лишь половина этой энергии), и в этом же году эксперименты были завершены, а сам ускоритель демонтирован. И на его месте, в настоящее время, в этом же туннеле размещен новый ускоритель — Большой адронный коллайдер.

Так почему же он не просто коллайдер, но еще и Большой? Да потому что он большой! Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м. Это самое грандиозное научное сооружение в мире. И необходимо это для того, чтобы достичь больших энергий, которые зависят от длины ускорителя. Ну и, наконец, адронным его назвали из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков. В частности – протоны и ядра свинца.

Частицы в коллайдере движутся в разных направлениях, поэтому внутри сверхпроводящих магнитов два отверстия, по которым и летят адроны.

Внутри сверхпроводящих магнита две трубы для движения частиц в противоположных направлениях

Для того, чтобы частицы все же могли встретиться, есть четыре места, где пути соединяются. Там устанавливаются основные детекторы, которое регистрирует столкновение частиц и результат этого столкновения. Детекторы имеют следующие названия: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи. Основную работу на этих детекторах делают русские физики, а сами детекторы создавались в России. Детектор ALICE нужен для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

Так выглядит Большой адронный коллайдер внутри тоннеля.

Во время работы коллайдера столкновения планируется проводить одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Так как для управления движением частиц применяют сверхпроводящие магниты, вокруг них создается очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. При этом используется жидкий гелий. Именно в результате небольшого брака в спайке аппаратуры охлаждения произошла авария на БАК в 2008 году. Пришлось пересмотреть основные узлы охлаждающей системы, а мы смогли получить уникальные фотографии внутреннего строения коллайдера. При изменении температуры, БАК значительно изменяет свою длину. Поэтому все контакты внутри скользящие.

Все контакты внутри Большого адронного коллайдера скользящие

Кроме того, как видно на фотографии, именно поэтому трубки сделаны гафрироваными. Еще одна особенность – проводник в сверхпроводящем магните. Он сделан из сверхтонких медных нитей, сплетенных в более толстые проводники, а те в свою очередь составляют основные проводники, из которых и состоит сверхпроводящая система.

Рис.20. Медная проволока, из которой состоит сверхпроводящая магнитная система

Естественно, в коллайдер частицы попадают уже разогнанными, причем в несколько этапов. Траектория протонов (и тяжёлых ионов свинца) начинается в линейных ускорителях. Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона, через него — в протонный суперсинхротрон и, наконец, непосредственно в туннель БАК.

Следует отметить, что пока коллайдер работает далеко не на полную мощность. Только 29-30 ноября 2009 года энергия каждого из пучков протонов достигла значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире. 9 декабря состоялись столкновения пучков протонов с такой энергией и как результат – энергия столкновения 2,36 ТэВ.

18 марта 2010 года энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.

30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.

В таком режиме (3,5 ТэВ) БАК должен проработать до лета или осени 2011 года, после чего  коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно займёт весь 2012 год или более длительное время. После ремонта ожидается повышение энергии протонов до проектной энергии в 7 ТэВ на пучок.

Категория: Современная физика | Добавил: anat (03.08.2010) | Автор: Анат
Просмотров: 1063 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 1
1  
Спасибо. Интересно. Некоторую информацию первый раз вижу.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Поиск


Смиловичи

Copyright MyCorp © 2017
Бесплатный хостинг uCoz