МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Кам'янець-Подільський національний університет імені Івана Огієнка

Кафедра фізики

ДОПОВІДЬ

«Великий адронний коллайдер»

студента 35 групи

фізико-математичного факультету

ЦИКАНЮК БОГДАНА ІГОРОВИЧА

Перевірив:

кандидат фізико-математичних наук, професор

КРИСЬКОВ ЦЕЗАРІЙ АНДРІЙОВИЧ

м. Кам’янець-Подільський, 2011 рік

ЗМІСТ

Вступ 3

1.Поставлені завдання 5

2.Технічні характеристики 8

3.Детектори 9

4.Процес прискорення частинок у коллайдері 10

5.Основна критика і антикритика 11

5.1.Основна критика 11

5.2.Антикритика 12

Висновки 15

Список використаних джерел 16

Вступ

20 листопада 2009 року ввесь світ завмер в очікуванні. Причиною цього стали не війни, соціальні чи економічні негаразди. Причиною цього стала природна людська цікавість, яка не знає меж. Саме цього дня був запущений найбільший в історії прискорювач елементарних частинок, розміри якого просто вражають.

Великий адронний колайдер, скор. ВАК (англ. Large Hadron Collider; скор. LHC) – прискорювач заряджених частинок на зустрічних пучках, призначений для розгону протонів і важких іонів (іонів свинцю) і вивчення продуктів їх співударяння. Колайдер побудований в науково-дослідницькому центрів Європейської ради ядерних досліджень (скор. CERN), на кордоні Швейцарії і Франції, неподалік від Женеви. ВАК є найбільшою експериментальною установкою в світі. Керівник проекту – Лін Єванс. В побудові і дослідженнях проекту ВАК брали і беруть участь більше 10000 учених і інженерів із більш ніж 100 країн світу.

Великим він був названий через свої розміри: довжина основного кільця прискорювача складає 26659 м, а адронним – через те, що він прискорює адрони, тобто важкі частинки, які складаються із кварків. Назву колайдер ВАК отримав завдяки тому, що частинки прискорюються в протилежних напрямках і стикаються в спеціальних точках зіткнення.

Проте, найбільше занепокоєння викликали не розміри, а результати роботи прискорювача. За задумкою вчених-фізиків Великий адронний колайдер має дати відповіді на низку гострих питань сучасної науки, за допомогою яких можна буде пояснити виникнення Всесвіту, спростувати чи підтвердити основні фізичні теорії походження Всесвіту, експериментально перевірити теоретичні здогадки. Вже на даний момент в пресі можна знайти безліч новини та заміток про те чи інше відкриття, зроблене за допомогою Великого адронного колайдера. Зокрема, вчені сміливо говорять, що їм майже вдалося підтвердити теорію суперсиметрії.

Але, поряд з цим, виникла реальна загроза того, що запуск колайдера буде останнім, що зробить людина на нашій планеті. Відповідно до того, як розвивався проект ВАК, розвивались і гіпотези того, яку загрозу він несе в своїй роботі.

Тому, спробуємо розібратись, що собою являє Великий адронний колайдер і він нам дасть – початок нової ери в історії науки, чи загибель людства.

1. Поставлені завдання

На початку ХХ століття у фізиці з’явились дві теорії – загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна, яка описує Всесвіт на макрорівні і кваркова механіка, яка описує матерію на мікрорівні. Проблема в тому, що ці теорії несумісні одна з одною. Наприклад, для адекватного опису процесів в чорних дірах потрібно обидві теорії, які заперечують одна одну.

Ейнштейн говорив, що виключно квантово-механічний опис фізичної реальності є неповним, і багато років намагався розробити єдину теорію поля, проте, безуспішно. В кінці 1960-х років фізикам вдалося розробити Стандартну Модель, яка об’єднує три з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій – сильну, слабку і електромагнітну. Гравітаційна взаємодія описується загальною теорією відносності. Об’єднати дві вище наведені теорії не вдається через особливості квантової теорії гравітації. [4, 5]

Для подальшого об’єднання фундаментальних взаємодій в рамках однієї теорії використовуються різні підходи: теорія струн, теорія супергравітації, петлева квантова гравітація та інші. Деякі з них мають внутрішні проблеми, і жодна з них немає експериментального підтвердження. Проблема в тому, що для проведення відповідних експериментів потрібні енергії, недосяжні на сучасних прискорювачах заряджених частинок.

ВАК дозволить провести експерименти, які раніше були неможливими, і, можливо, зможе дати відповіді на правдивість деяких теорій. Так, наприклад, існує цілий ряд теорій, які припускають існування «суперсиметрії» — наприклад, теорія струн (суперструн), яка напряму залежить від існування від теорії суперсиметрії. Тобто, підтвердження теорії суперсиметрії буде непрямим доказом існування істинності цих теорій.

На сьогодні за допомого ВАК вивчають:

• топ-кварки – найважчі кварки. Більше того – це найважча із відкритих поки елементарних частинок. Через свою велику масу топ-кварк спостерігається лише на одному прискорювачі – Теватроні, в інших прискорювачах банально не вистачало енергії для його зародження. Окрім цього топ-кварки більше цікавлять фізиків як «робочий інструмент» для зародження базона Хігса. Один із найбільш важливих каналів зародження базона Хігса у ВАК – асоціативне зародження разом із топ-кварковою парою.

• вивчення механізму електрослабкої симетрії. Однією з основних цілей проекту є експериментальний доказ існування бозона Хіггса — частинки, передбаченою шотландським фізиком Пітером Хігсом в 1960 році врамках Стандартної Моделі. Бозон Хіггса є квантом так званого поля Хігса, при проходженні через яке частинки зазнають опір, що уявляється нами як поправки до маси. Сам бозон нестабільний і має велику масу (більше 120 ГеВ/c²). Насправді, фізиків цікавить не стільки сам бозон Хіггса, скільки хігсовскій механізм порушення симетрії електрослабкої взаємодії. Саме вивчення цього механізму, можливо,наштовхне фізиків на нову теорію світу, більш глибоку, ніж СМ. [3]

• вивчення кварк-глюонної плазми. Очікується, що приблизно один місяць на рік проходитиме в прискорювання в режимі ядерних зіткнень. Будуть відбуватися не тільки протон-протонні зіткнення, але і зіткнення ядер свинцю. При непружному зіткненні двох ядер на ультрарелятивістських швидкостях на короткий час утворюється і потім розпадається щільний і дуже гарячий клубок ядерної речовини. Розуміння спостережених при цьому явищ (перехід речовини в стан кварк-глюонної плазми і її охолодження) потрібно для побудови більш досконалої теорії сильних взаємодій, яка виявиться корисною як для ядерної фізики, так і для астрофізики.

• пошук суперсиметрії. Першим значним науковим досягненням експериментів на ВАК може стати доказ або спростування «суперсиметрії» — теорії, яка говорить, що будь-яка елементарна частка має набагато важчого партнера, або «суперчастинку».

• вивчення фотон-адронів і фотон-фотонних зіткнень. Електромагнітна взаємодія частинок описується як обмін (у ряді випадків віртуальними) фотонами. Іншими словами, фотони є переносниками електромагнітного поля. Протони електрично заряджені і оточені електростатичним полем, відповідно це поле можна розглядати як хмару віртуальних фотонів. Всякий протон, особливо релятивістський протон, включає в себе хмару віртуальних частинок як складову частину. При зіткненні протонів між собою взаємодіють і віртуальні частинки, що оточують кожен з протонів. Математично процес взаємодії частинок описується довгим рядом поправок, кожна з яких описує взаємодію за допомогою віртуальних частинок певного типу. Таким чином, досліджуючи зіткнення протонів, побічно вивчається і взаємодія речовини з фотонами високих енергій, що представляє великий інтерес для теоретичної фізики. Також розглядається особливий клас реакцій — безпосередня взаємодія двох фотонів. Тобто, фотони можуть зіткнутися як із зустрічним протоном, породжуючи типові фотон-адронний зіткнення, так і один з одним. У режимі ядерних зіткнень, через велике значення електричного заряду ядра, вплив електромагнітних процесів має ще більше значення. [4]

• перевірка екзотичних теорій. Теоретики наприкінці XX століття висунули величезне число незвичайних ідей щодо устрою світу, які всі разом називаються «екзотичними моделями». Сюди відносяться теорії із сильною гравітацією на масштабі енергій порядку 1 ТеВ, моделі з великою кількістю просторових вимірів, преонні моделі, в яких кварки і лептони самі складаються з часток, моделі з новими типами взаємодії. Справа в тому, що накопичених експериментальних даних виявляється все ще недостатньо для створення однієї-єдиної теорії. А самі всі ці теорії сумісні з наявними експериментальними даними. Оскільки в цих теоріях можна зробити конкретні прогнози для ВАК, експериментатори планують перевіряти передбачення і шукати сліди тих чи інших теорій у своїх даних. Очікується, що результати, отримані на прискорювачі, зможуть обмежити фантазію теоретиків, закривши деякі із запропонованих побудов.

• інше. Також очікується виявлення фізичних явищ поза рамками Стандартної Моделі. Планується дослідження властивостей W і Z-бозонів, ядерних взаємодій при надвисоких енергіях, процесів народження та розпадів важких кварків (b і t).