Принцип работы Большого Адронного Коллайдера
Подготовила Долгих Полина

БАК находится на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева. Длина коллайдера – 27 километров, глубина от 50 до 175 метров. Коллайдер был запущен 10 сентября 2008 года и стал ключевым научным проектом начала 21 века.

• Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН). Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

Детектор ALICE

• Детектор ALICE — это крупный детектор, построенный, в целом, по классической схеме детектора, но оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ядер. Его размеры составляют 26 метров в длину и 16 на 16 метров в поперечной плоскости; полная масса детектора — 10 тысяч тонн.

Детектор ALICE

Изображение с сайта public.web.cern.ch
В самом центре детектора несколькими цилиндрическими слоями расположены трековые детекторы. Непосредственно снаружи вакуумной трубы расположен двухслойный вершинный пиксельный детектор, который позволяет восстановить траекторию с точностью лучше 50 микрон. За ними идут дрейфовая камера и полосковые детекторы, которые вместе с пиксельным детектором образуют «внутреннюю трековую систему» детектора ALICE.

• Внутреннюю трековую систему охватывает особый трековый детектор — время-проекционная камера.

Изображение с сайта aliceinfo.cern.ch
Моделирование результата столкновения двух ядер свинца в детекторе ALICE. Изображение с сайта aliceinfo.cern.ch
Получение протонов и явление конфайнмента
История создания БАК
История создания БАК

• Большой адронный коллайдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

---

Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron collider или LEP)
История создания БАК

• Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. 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.
• В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года.

Проекты и открытия. Бозон Хиггса

• Элементарная частица бозон Хиггса, названная так на честь британского физика Питера Хиггса(в народе также называют «частица Бога»), была предсказана им еще в 1964 году.
• Свойства бозона Хиггса:
- Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию гравитации.
- Бозон Хиггса обладает нулевым спином (моментом импульса элементарных частиц).
- Бозон Хиггса обладает электрическим и цветным зарядом.
- Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками.
- Бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.

Проекты и открытия. Эксперимент ATLAS

• В результате столкновения протонов во встречных пучках Большого Адронного Коллайдера рождается множество вторичных частиц. Среди них есть относительно долгоживущие частицы, которые могут пролететь сантиметры и метры, а есть короткоживущие, которые, практически не успев отойти от точки своего рождения, распадаются на другие частицы. Бозон Хиггса - крайне короткоживущая частица, она живет ничтожно короткое время и очень быстро распадается. Вариантов распада, или как их называют специалисты, каналов распада, довольно много. Например, в одном случае "частица Бога" может распасться на два Z-бозона (которые в дальнейшем распадаются на 4 лептона), в другом - на два гамма-кванта. Это вероятностный процесс, поэтому предсказать заранее, на какие частицы в каждом конкретном случае распадется искомый бозон нельзя. Это только одна из неточностей в эксперименте, поэтому к обнаружению бозона Хиггса некоторые относятся скептически.

---

На картинке изображены продукты распада при столкновении частиц(эксперимент ATLAS)
Эксперимент ATLAS

• LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

Схема расположения детекторов эксперимента LHCf.

• Нейтральные частицы, которые родились в столкновении пучков протонов в детекторе ATLAS и вылетели вперед (волнистая оранжевая линия), не отклоняются магнитным полем, вследствие чего влетают в детектор LHCf. Схема не отражает реальные масштабы.

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) - эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Эксперимент TOTEM

Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц.
Открытие кварков

• В 2014 году на Большом адронном коллайдере был обнаружен тетракварк, а в 2015 году был наконец открыт пентакварк. Известно, что барионы(протоны, нейтроны, электроны) состоят из трех кварков. Ученым же удалось обнаружить частицы, состояющие из большего количества кварков, а также к трем известным видам кварков, из которых состоят нейтроны и протоны(верхний(up), нижний(down) и странный(strange)), добавились очарованный(charm), прелестный(beauty) и истинный(top) кварки.

---

Классификация кварков
Пентакварки

• в 2003 году группа японских физиков во главе с профессором Накано объявила об открытии пентакварка точно в предсказанном месте. Время жизни группе определить не удалось, но было ясно, что оно необычайно велико. Практически одновременно с ними тета-барион(так назвали пентакварк) с теми же свойствами и в том же месте наблюдали в Москве, в ИТЭФ. В течение следующего года тета-барион наблюдали по крайней мере в полутора десятках экспериментов в разных странах мира. Почти сразу стало ясно, что не все они надёжны, некоторые имели недостаточную точность или набор данных. Тем не менее большое число положительных экспериментальных данных в совокупности давали уверенность, что пентакварк действительно существует.

Пентакварк и стандартные барионы

• Стоимость БАКа и проведенных исследований по обнаружению бозона Хиггса составляет 10 млрд долларов. Ученые и все интересующиеся наукой люди верят, что эта сумма потрачена не зря, и открытие частицы Бога позволит все больше понимать окружающий нас мир.
• Спустя год, в 2013 году, Питеру Хиггсу была присуждена Нобелевская премия по физике за "теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц".
• И хотя Стандартная модель подтвердилась,ученые до сих пор находятся в тупике, ведь такая модель не может объяснить действие гравитации и идет вразрез со знаниями о темной материи. Есть вероятность, что удастся доказать суперсимметрию, но пока мощностей коллайдера на это не хватит.

Заключение

• Создание Стандартной модели – большой прорыв в науке и в жизни человечества в общем. Однако, еще больше неизученных и мистических объектов и явлений требуют тщательного и долго изучения, так как их сложно. К таким объектам и явлениям относят темную материю, другие измерения, суперсимметрию, магнитный монополь и др.

---

Смотрите также файлы

• Особенности деятельности российской торговой системы.docx

• Фио в родительном падеже слушателястажера курса профессиональной переподготовки Тьюторское сопровождение обучающихся в системе инклюзивного образования.doc

• Дата включения в сизод объекты и место проведения работ.docx

• Занятие 3 Обучающийся Гольм Евгения Сергеевна.rtf

• Составные транзисторы, применение в усилительных схемах, основные параметры.pdf