Регистрация Забыли пароль?
Объекты Жители Библиотека Блоги
Shigure
Ральф Майребс написало 27 августа 2012 в 14:48 [ Назад ]

Кольца элементарностей

Ещё Древние греки предполагали, что вещество состоит из мельчайших частиц, из атомов. Само слово "атом" по-гречески означает - "неделимый". Однако на практике, многие тысячи лет, люди имели дело не с атомами, а молекулами. В 1860 году было введено официальное определение молекулы как наименьшей частицы химического вещества, обладающей всеми его химическими свойствами. Но уже в то время было ясно, что и атомы действительно существуют. Разного вида и количества, соединённые химическими связями, они складываются в молекулы. Но из чего состоят сами атомы?

В 1897 году Джозефом Джоном Томсоном был открыт электрон - частица обладающая минимальным отрицательным электрическим зарядом. На основе своего открытия Томсон высказал предположение о том, что атомы не являются неделимыми, а, в свою очередь, состоят из каких-то более мелких частиц. Было предложено несколько различных теорий объясняющих структуру атома, но подтвердилась лишь одна из них - планетарная модель атома Бора-Резерфорда, которая представляет атом как электроны вращающиеся по своим орбитам вокруг тяжёлого ядра. Сперва считали что это ядро состоит из протонов - тяжёлых частиц несущих положительный заряд, однако, в дальнейшем, обнаружились экспериментальные не стыковки в этой теории, что привело в 1932 году к открытию нейтрона - частицы входящей в состав атомного ядра, но не обладающей электрическим зарядом.

В том-же году была открыта и первая античастица - позитрон - "собрат" электрона, но несущая не отрицательный, а положительный заряд. При соединении электрона и позитрона происходит аннигиляция, в результате которой рождаются несколько гамма-квантов, то есть фотонов (частица-переносчик электромагнитного излучения) с высокой энергией.

В дальнейшем число новых частиц и античастиц росло с большой скоростью, стало ясно что ни протон, ни нейтрон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из более мелких - из кварков. Были открыты нейтрино, антипротон и в настоящее время науке известно около 400 различных частиц, сформулированы теории их взаимодействий и теория связывающая различные взаимодействия вместе.

Image



В 30е годы ХХ-го века новые частицы открывали, что называется, в природе - например в космическом излучении. Но начиная с середины ХХ-го века, основным способом их поиска и экспериментального исследования становятся ускорители. Первые ускорители представляли собой устройства, в которых частицы разгонялись, а затем попадали в неподвижную мишень. В момент столкновения частицы изменялись, превращались в другие и рождались новые, разлетающиеся в разные стороны. Эти частицы улавливались детекторами, которые могли определить их свойства, например заряд и массу. Чем больше была энергия у первоначального пучка, тем больше изменений при столкновении могло произойти. Следующее поколение ускорителей сталкивало частицы уже не с неподвижной мишенью, а другим пучком частиц (возможно другого вида). Эти виды ускорителей получили название - коллайдеры.

Поясню идею изучения элементарных частиц на простом примере. Представьте что у вас есть два автомобиля, внутреннее устройство которых вы не знаете. Вы разгоняете эти автомобили навстречу друг другу и сталкиваете! При малой скорости удар будет слабым и автомобили лишь слегка деформируются. При более сильном ударе от них отлетят различные лёгкие внешние детали, например куски фар, стекла, зеркала и бамперы. Вы поймаете эти детали, осмотрите и получите некоторые сведения о том, из чего состояли эти автомобили. С увеличением силы столкновения, от автомобилей будет отваливаться все более и более тяжёлые детали, а вы будете получать всё новые и новые знания об устройстве машины. Так и ускорители - о общем случае про увеличении "их мощности" они позволяют разогнать частицы до всё более и более высоких скоростей, которые приводят к росту энергий частиц, столкновение на которых может привести к получению новых, доселе невозможных, результатов.

В настоящее время в мире работает большое число коллайдеров, различных как по типу использующихся частиц, рабочих энергий, так и по максимальной энергии, до которой они могут разогнать эти частицы. Если вновь вернуться к автомобильной аналогии, то одни коллайдеры могут разгонять лишь небольшие легковые автомобили, а другие тяжёлые и громадные самосвалы.

В общем плане устройство коллайдера таково - два пучка частицы инжектируются внутрь замкнутой в кольцо длинной трубы из которой выкачан воздух, после чего по ней в противоположных направлениях начинают двигаться частицы, которые сталкиваются друг с другом внутри специального устройства - детектора. Цель детектора "уловить" родившиеся новые частицы и измерять их характеристики. Поскольку труба замкнута в кольцо, необходимо как-то управлять траекторией движения частиц в трубе, дабы они не столкнулись с его стенками. Здесь приходит на помощь магнетизм, а именно тот факт, что частицы имеющие заряд могут притягиваться или отталкиваться магнитами. Таким образом, на внешней стороне трубы установлены электромагниты и изменение магнитного поля приводит к отклонению летящих частиц так, чтобы они не касались стенок трубы.

Очевидно, что чем быстрее летит частица и чем она тяжелее, тем сложнее становится ей управлять (требуются более сильные магнитные поля) и поэтому, стремятся уменьшить кривизну трубы, что, в свою очередь приводит к увеличению радиуса окружности и размерам кольца. Именно поэтому, размер коллайдера в первую очередь зависит от того, до каких энергий и какие именно частицы он разгоняет.

Первый в мире коллайдер ВЭП-1 был построен в начале 60х годов в Новосибирске, в Институте Ядерной Физики под руководством академика Г.И. Будкера и имел размеры крупного обеденного стола (не считая систем инжекции, электропитания и источника самих частиц). Работал он на электронных парах, разгоняя их до 160 МэВ на пучок. Радиус кольца в ВЭП-1 составлял всего 43 сантиметра.

Image
Самый же крупный из современных действующих коллайдеров находится в Европе и называется Большой Адронный Коллайдер. Обладая длиной кольца в почти 26 с половиной километров и радиусом кольца около 4200 метров, он сталкивает протоны и ионы на энергиях до 7 ТэВ на пучок. На сегодня это самая крупная действующая научная установка в мире.

Image
Image
Image

В начале 90х годов в США начались работы по сооружению коллайдера с длиной кольца 93 километра, но были закрыты. Однако, сферы исследований на различных коллайдерах различны, поэтому нельзя говорить, что все более мелкие коллайдеры не приносят результатов. Более того адронные и электрон-позитронные коллайдеры различаются ещё на и более глубоком уровне.

Новосибирский Институт Ядерной Физики является одним из ведущих мировых лидеров по ускорительной тематике. Обладая не только высококлассными специалистами, но и совершенным собственным производством, он может не только проектировать элементы коллайдеров, но и изготавливать их. Все его собственные коллайдеры были изготовлены непосредственно в Новосибирске, а так-же институт принимает активное участие в международных проектах. В качестве примера можно привести уже упомянутый Большой Адронный Коллайдер, часть элементов которого была изготовлена силами института. Так, для инжекции протонов в коллайдер потребовалось создать две магнито-вакуумные системы длиной около пяти с половиной километров каждая. Для них были изготовлены собственно вакуумные системы, большое количество электромагнитов, каждый длиной 6 метров и весом несколько тонн, а также серия магнитных линз. Всё это оборудование было изготовлено в ИЯФ-е и отправлялось в Женеву в течение нескольких лет.

Если говорить о собственных коллайдерах, то сейчас в ИЯФе постоянно функционируют два ускорительных комплекса - ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Оба из них работают на встречных электрон-позитронных пучках.

Длина кольца ВЭПП-4М 366 метров, рабочие энергии до 6 ГэВ на пучок. В ВЭПП-4М присутствует всё, что есть у его более крупных родственников, а использование высокочувствительного детектора КЕДР, позволяет измерять массы частиц с точностью недоступной для других лабораторий мира. Помимо высокоточного измерения масс, ускорительный комплекс используется как источник синхротронного излучения для как теоретических, так и практических исследований.

Image
Image
Image
Image
Даже небольшой коллайдер это огромное сооружение. Ведь помимо кольца и детекторов в него входят вакуумная система для создания вакуума в трубе, криогенная система для охлаждения сверхпроводящих магнитов-отклонителей пучков, система электропитания для различных узлов, система инжекции пучков в кольцо, система получения самих пучков и система их предварительного разгона. Сами электрон-позитронные пучки получают как в старых ускорителях - путём столкновения электронов с неподвижной мишенью. Кроме того следует не забыть системы управления всем комплексом. На фото приведена лишь малая доля составляющих коллайдер элементов.

Image
Image
Image
Image
Image

Комплекс ВЭПП-2000 рассчитан на энергию каждого пучка в 1 ГэВ и основная исследуемая на нём задача - изучение процесса рождения протон-антипротонных пар. Энергия покоя протона как раз чуть меньше ГэВ, поэтому если сталкивать частицы с суммарной энергией близкой к 2 ГэВ, то в ходе реакции будут рождаться протон-антипротонные пары. Вообще-то процессы рождения адронов происходят и при столкновении частиц на более высоких энергиях, однако там они быстро аннигилируют вновь, не оставляя следов. Внутреннее строение протонов и нейтронов до сих пор изучено не до конца. Известно из чего они состоят, но как это там распределено, известно очень плохо.

Image
Image
Image
Image
Image
Image

Какую же практическую пользу приносят исследования элементарных частиц и ускорительная техника? Даже если не брать во внимание философские аспекты вопроса об устройстве окружающего мира, применений обнаруживается достаточно много. Исторически, самым простым примером может служить создание атомной энергетики и атомного оружия в ещё "до коллайдерную" эпоху. В дальнейшем ускорительная техника нашла себе множество мирных применений. Например, дезинфицирование медицинских инструментов под воздействием пучка электронов. Такое воздействие на несёт эффекта остаточной радиации, но гарантированно и быстро убивает микробов. Другим примером могут служить ускорители для лечения различных болезней, например рака. В клетки опухоли вводят изотопы бора, а затем облучают пучком частиц, под действием которых изотопы нагреваются "выжигая" больные клетки. Так-же хорошим примером будет особое взаимодействие потока частиц с некоторыми другими веществами, например взрывчаткой, что позволяет её детектировать.

Image

Высокая чувствительность детекторов созданных изначально для ускорителей, позволяет использовать куда более слабые дозы излучения при рентгенологическом обследовании. Такие установки, в частности изготавливает ИЯФ, и доза радиации при прохождении исследования в десять раз меньше, чем на обычных аппаратах. Поэтому ускорительная техника, несмотря на гигантские затраты на своё создание, в конце-концов приносит огромную пользу и выгоду.

Image
Закрыт
WarWolf
Север WarWolf написал 27 августа 2012 в 16:55
Мне кажется, что а этом блоге будет много плюсов и мало комментариев, ибо гуманитарии, да и некоторые представители естественных наук, просто побоятся отметиться сообщением :)
0
Ссылка | 2 отв.
Shigure
Ральф Майребс Shigure написало 27 августа 2012 в 17:42 [исправлен через 57 секунд]
WarWolf: мэйби :) но я пытался изложить всё как для блондинок, закончивших 11 классов школы на хорошо и отлично :)
SubSin
ТоСт SubSin написал 27 августа 2012 в 21:13
WarWolf: я лучше промолчу, тем более с пахмы не пристало ядерной физикой заниматься :)
Pavlenti007
Панза Воронежский Pavlenti007 написал 27 августа 2012 в 19:00
А нет... меня мучает вопрос. Уважаемый пользователь САМ сделал все эти фотографии и присутствовал эм...на "объекте" (назовём это так) ?
0
Ссылка | 2 отв.
Shigure
Ральф Майребс Shigure написало 27 августа 2012 в 20:34
Pavlenti007: все фотки с копирайтом мои, без копирайта с инета
0
Ссылка |  ↑ | 1 отв.
Pavlenti007
Панза Воронежский Pavlenti007 написал 27 августа 2012 в 20:50
Shigure: понял.
SS410
SS410 написал 27 августа 2012 в 22:11
Ральф! Как обычно-супер, толково и доходчиво!
+6
Ссылка | 1 отв.
Shigure
Ральф Майребс Shigure написало 28 августа 2012 в 07:25
SS410: domo!
mutab0r
клею танчики mutab0r написал 28 августа 2012 в 20:20
Эх, ностальгия! Сравнение про столкновение автомобилей очень остроумно :)
abv
abv написал 29 августа 2012 в 10:53
а я знал - коли уж ты вернулся в новосиб - рано или поздно этот отчёт должен был быть :) молодец. по прессе ходил или по знакомству?
0
Ссылка | 4 отв.
Shigure
Ральф Майребс Shigure написало 29 августа 2012 в 11:09
abv: по знакомству
+11
Ссылка |  ↑ | 3 отв.
TinnitusDoll
Зеро TinnitusDoll написал 1 сентября 2012 в 21:08
Shigure: Ты вернулся в Новосиб? о_О
0
Ссылка |  ↑ | 2 отв.
Shigure
Ральф Майребс Shigure написало 2 сентября 2012 в 07:33
TinnitusDoll: на ИЯФ я ходил ещё в апреле 2011го, а так, да, вернулся
0
Ссылка |  ↑ | 1 отв.
TinnitusDoll
Зеро TinnitusDoll написал 4 сентября 2012 в 20:34
Shigure: Я скоро буду в Новосибе. Это намек :)
abv
abv написал 29 августа 2012 в 11:14
первый кадр - что надо!
zavtrak
zavtrak написало 29 августа 2012 в 13:16
больше!!1 больше таких постов! :)
Только жители сайта могут оставлять комментарии.