Большой адронный коллайдер

Г ОУ г и м н а зи я № 1 5 0 5
М о с к о вс к а я П е да г о г и ч е с к а я Г и м н а зи я - ла б о р а то ри я
Ускорители, коллайдеры (особенно
Большой адронный коллайдер)
Р е ф е р а т уч е н и к а
9 к л а с с а « Б» Ер м о ла е ва Ив а н а
А л е к с а н д р о ви ч а
Р ук о во д и те л ь : На ум о в А ле к с е й
Л е о н и д о ви ч
М о с к ва 2 0 1 0
О г л а вл е н ие
О ГЛ А В ЛЕ Н И Е ...................................................................................................... 2
В В Е ДЕ Н И Е ............................................................................................................. 3
Г Л АВ А 1 . .................................................................................................................. 3
Ч А С Т И Ц Ы . У С К О Р И Т Е Л И . ................................................................................ 4
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ УСКОРИТЕЛЕЙ И КО ЛЛАЙДЕРОВ 4
Г Л АВ А 2 . .................................................................................................................. 6
Б О Л Ь Ш О Й А Д Р О Н Н Ы Й К О Л Л А Й Д Е Р ( БАК ) . ............................................ 7
З А Д А Ч И , С Т О Я Щ И Е П Е Р Е Д L H C .................................................................... 8
О Б Щ И Й В И Д ........................................................................................................... 8
З АК ЛЮ Ч Е Н И Е ................................................................................................... 11
С П И СО К Л И Т Е Р АТ У РЫ .............................................................................. 15
В в еде н ие
2
Я
вы б р а л
э ту
т е м у,
п о то м у
ч то
она
одна
из
самых
п о п уля р н ы х те м в н а ш е вр е м я , та к к а к с п о м о щ ь ю Бо л ьш о г о
а д р о н н о г о к о лла й д е р а уч е н ы е
нашего
мира.
Они
п р и б ли зи т е л ьн ы е )
и з уч а ют с а м ую г л уб и н н ую с ут ь
п ы та ют с я
на
во п р о с ы
н а й ти
о тв е ты
о с во й с т ва х
( х о тя
бы
материи,
с ил ,
п р о с тр а н с т ва - вр е м е н и .
Ч а с ти ц ы , и з к о то р ы х с о с то и т о к р уж а ющ и й н а с м и р , ж и в ут
с о вс е м
п о д р уг и м
за к о н а м ,
чем
о к р уж а ющ и й
нас
« м а к р о с к о п и ч е с к и й » м и р . Н е зн а я эти за к о н ы , тр уд н о п о н я т ь,
ч то ж е и з уч а е тс я н а Бо ль ш о м а д р о н н о м к о л ла й д е р е . По это м у, н е
с тр е м я с ь
о х ва ти т ь
н е с та б и л ьн ы х
п р о н е к о то р ы е
зд е с ь
ч а с ти ц ,
я в ле н и я
я
вс ю
ф и зи к у
постараюсь
в микромире,
э л е м е н та р н ы х
рассказать
имеющие
и
ли ш ь
прямое
о тн о ш е н и е к эк с п е р и м е н та м н а L H C 1.
М о й р е ф е р а т м о ж н о б уд е т и с п о л ь зо в а т ь н а ур о к а х ф и зи к и и
х и м и и п р и и з уч е н и и э ле м е н т а р н ы х и н е с та б и льн ы х ч а с ти ц .
Т а к ж е я с ч и та ю , ч т о м о й р е ф е р а т п р и г о д и тс я уч е н и к а м 9 - 1 1
к ла с с о в и с т уд е н т а м ф и зи ч е с к и х в узо в .
Гл а ва 1 .
1
LHC — сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер.
3
Ч а с т и цы . У с кор ит е л и .
“ У с ко р ит е л и
з а р я ж е н н ых
частиц —
ус тр о й с т ва
д ля
п о л уч е н и я з а р я ж е н н ы х ч а с ти ц ( э ле к тр о н о в, п р о то н о в, а то м н ы х
я д е р , и о н о в ) б о ль ш и х эн е р г и й ” . У с к о р е н и е п р о и зво д и т с я с
п о м о щ ь ю э ле к тр и ч е с к о г о п о ля , с п о с о б н о г о и з м е н я т ь эн е р г и ю
ч а с ти ц , о б ла д а ю щ и х э ле к тр и ч е с к и м за р я д о м . М а г н и тн о е п о л е
м о ж е т ли ш ь и зм е н и ть н а п р а в ле н и е д ви ж е н и я за р я ж е н н ы х
ч а с ти ц , н е м е н я я ве ли ч и н ы и х с к о р о с ти , п о э то м у в ус к о р и те ля х
о н о п р и м е н я е тс я д ля уп р а в ле н и я д ви ж е н и е м ч а с ти ц ( ф о р м о й
тр а е к то р и и ) . Об ы ч н о ус к о р я ю щ е е эл е к тр и ч е с к о е п о л е с о зд а ё тс я
внешними
ус тр о й с тв а м и
( г е н е р а то р а м и ) .
С о вр е м е н н ы е
ус к о р и т е ли это о г р о м н ы е ус та н о в к и , д о с ти г а ю щ и е в р а зм е р а х
н е с к о л ьк и х к и ло м е тр о в . С а м ы е б о л ьш и е ус к ор и т е ли и з н ы н е
р а б о т а ю щ и х это Те ва тр о н и Бо л ьш о й Ад р о н н ы й К о л ла й д е р ,
п е р вы й н а х о д и тс я в с о е д и н е н н ы х ш та т а х А м е р и к и , а вто р о й н а
г р а н и ц е Ш ве й ц а р и и и Фр а н ц и и . С ущ е с тв уе т м н о ж е с тво
р а зли ч н ы х ви д о в ус к о р и т е л е й , н о п р е ж д е ч е м п е р е й ти к и х
р а с с м о тр е н и ю я р а с с к а ж у ва м п р и н ц и п р а б о ты люб о г о
ус к о р и т е л я .
О с но вн ые пр инц и п ы р а б о т ы у с ко р ит е л е й и ко л л а й де р о в
О с н о вн а я с х е м а ус к о р е н и я ч а с ти ц п р е д ус м а тр и в а е т тр и с та д и и :
1 ) ф о р м и р о ва н и е п уч к а и е г о и нж е к ц и я , 2 ) ус к о р е н и е п уч к а и 3 )
вы во д п уч к а н а м и ш е н ь и л и о с ущ е с т вл е н и е с о уд а р е н и я
в с тр е ч н ы х п уч к о в в с а м о м ус к о р и т е л е .
Ф о р м и р о в а н и е п у ч к а и е г о и н ж е к ц и я. Ис х о д н ы м э ле м е н то м
л юб о г о ус к о р и т е ля с л уж и т и н ж е к то р , в к о то р о м и м е е тс я
и с то ч н и к н а п ра в ле н н о г о п о ток а ч а с ти ц с н и з к о й эн е р г и е й
( э ле к тр о н о в, п р о то н о в и ли д р уг и х и о н о в) и вы с о к о во ль тн ы е
э л е к тр о д ы и м а г н и ты , вы вод я щ и е п уч о к и з и с то ч н и к а и
ф о р м и р ую щ и е е г о . В и с то ч н и к а х п р о то н о в п е р вы х ус к о р и те ле й
г а зо о б р а зн ы й
водород
п р о п ус к а лс я
через
область
э л е к тр и ч е с к о г о р а зр я д а и ли вб ли зи р а с к а л е н н ой н и ти . В та к и х
ус л о ви я х а то м ы во д о р о д а те р я ю т с во и эл е к тр о н ы и о с т а ю тс я
о д н и я д р а – п р о то н ы . Та к о й м е то д ( и а н а ло г и ч н ы й с д р уг и м и
г а з а м и ) в ус о ве р ш е н с т во ва н н о м в и д е п о - п р е ж н е м у п р и м е н я е тс я
д ля п о л уч е н и я п уч к о в п р о то н о в ( и т я ж е лы х и о н о в ) .
4
И с то ч н и к ф о р м и р уе т п уч о к ч а с ти ц , к о то р ы й х а р а к те р и з уе тс я
с р е д н е й н а ч а л ьн о й эн е р г и е й , то к о м п уч к а , е г о п о п е р е ч н ы м и
р а зм е р а м и и с р е д н е й уг ло во й р а с х о д и м о с т ью . По к а за те ле м
к а ч е с тв а и н ж е к ти р уе м о г о п уч к а с л уж и т е г о э м и тт а н с , т. е .
п р о и з ве д е н и е р а д и ус а п уч к а н а е г о уг ло в ую р а с х о д и м о с т ь . Ч е м
м е н ь ш е эм и т та н с , те м вы ш е к а ч е с т во к о н е ч н о г о п уч к а ч а с ти ц с
вы с о к о й эн е р г и е й . По а н а ло г и и с о п ти к о й то к ч а с ти ц , д е ле н н ы й
н а э м и т та н с ( ч то с о о т ве т с т в уе т п ло тн о с ти ч а с ти ц , д е ле н н о й н а
уг л о в ую р а с х о ди м о с т ь) , н а зы в а ю т я р к о с т ь ю п уч к а . В о м н о г и х
п р и ло ж е н и я х с о вр е м е н н ы х ус к о р и т е л е й тр е б уе тс я м а к с и м а льн о
во зм о ж н а я я р к ос ть п уч к о в.
У с к о р е н и е п у ч к а . П уч о к ф о р м и р уе тс я в к а м е р а х и ли
и н ж е к ти р уе т с я в о д н у и ли н е с к о л ьк о к а м е р ус к о р и т е ля , в
к о то р ы х
э ле к тр и ч е с к о е
поле
п о вы ш а е т
с к о р о с ть ,
а
с ле д о ва т е л ьн о , и эн е р г и ю ч а с ти ц . В п е р вы х , п р о с те й ш и х
ус к о р и т е л я х
эн е р г и я
ч а с ти ц
ув е л и ч и в а л а с ь
в
с и льн о м
э л е к тр о с та ти ч е с к о м п о л е , с о зда н н о м вн ут р и вы с о к о ва к уум н о й
к а м е р ы . М а к с и м а л ьн а я эн е р г и я , к о то р ую п р и э то м уд а ва ло с ь
д о с ти ч ь , о п р е де ля ла с ь э ле к тр и ч е с к о й п р о ч н о с ть ю и зо ля то р ов
ус к о р и т е л я . В о м н о г и х с о вр е м е н н ы х ус к о р и т е ля х в к а ч е с тве
и н ж е к то р о в е щ е и с п о л ьз ую т с я э л е к тр о с та ти ч е с к и е ус к о р и те ли
э л е к тр о н о в и и о н о в ( вп ло т ь д о и о н о в ур а н а ) с э н е р г и я м и о т 3 0
к эВ 2 д о 1 М э В .
П о л уч е н и е вы с о к о г о н а п р я ж е н и я и с е г о д н я о с т а е т с я
с ло ж н о й те х н и ч е с к о й п р о б ле м о й . Е г о м о ж н о по л уч а т ь , з а р я ж а я
г р уп п у к о н д е н с а то р о в , с о е д и н е н н ы х п а р а л ле л ьн о , а за т е м
п о д к люч а я
их
п о с ле д о в а те л ьн о
к
п о с ле д о ва т е л ьн о с ти
ус к о р и т е л ьн ы х тр уб о к . Та к и м с п о с о б о м в 1 9 3 2 Д ж .К о к р о ф т и
Э .У о лто н п о л уч а ли н а п р я ж е н и я д о 1 М В . С ущ е с тв е н н ый
2
Энергия
ядерных
частиц
измеряется
в
электронвольтах
(эВ).
Электронвольт – это энергия, которую приобретает заряженная частица,
несущая один элементар ный заряд (заряд электрона), при перемещении в
электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В.
(1 эВ » 1,60219Ч10–19Дж.) Ускорители позволяют получать энергии в
диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (10 12) электронвольт – на
крупнейшем в мире ускорителе.
5
п р а к ти ч е с к и й не д о с та то к э то г о с п о с о б а в то м , ч то н а вн е ш н и х
э л е м е н та х с и с те м ы о к а зы ва е тс я вы с о к о е н а п р я ж е н и е , о п а с н о е
д ля эк с п е р и м е н та то р о в .
Е с ли тр е б уе тс я н е н е п р е р ы вн ы й п уч о к , а к о р о тк и й и м п ул ьс
ч а с ти ц с вы с о к о й эн е р г и е й , то м о ж н о во с п о ль зо в а т ьс я т е м , ч то
к р а тк о вр е м е н н о ( м е н е е м и к р о с е к ун д ы ) и зо л я то р ы с п о с о б н ы
вы д е р ж и в а т ь г о р а зд о б о ле е выс о к и е н а п р я ж е н и я . И м п ул ьс н ы е
д и о д ы п о з во ля ю т п о л уч а т ь н а п р я ж е н и я д о 1 5 М В н а к а с к а д в
с х е м а х с о ч е н ь н и зк и м и м п е д а н с о м . Э то п о зво ля е т п о л уч и ть
то к и п уч к а в н е с к о л ьк о д е с я тк о в к и ло а м п е р , а н е в д е с я тк и
м и л ли а м п е р , к а к н а э ле к тр о с т а ти ч е с к и х ус к о р и те ля х .
О б ы ч н ы й с п о с о б п о л уч е н и я вы с о к о г о н а п р я ж е н и я о с н о ва н
н а с х е м е и м п ул ь с н о г о г е н е р а то р а М а р к с а , в к о то р о й б а т а р е я
к о н д е н с а то р о в с н а ч а л а за р я ж а е т с я п а р а лл е льн о , а за те м
с о е д и н я е тс я п о с ле д о в а те л ьн о и р а зр я ж а е тс я ч е р е з о д ин
р а зр я д н ы й п р ом е ж уто к . В ы с о к о во л ьтн ы й и м п ул ь с г е н е р а т о р а
п о с т уп а е т в дл и н н ую ли н и ю , к о то р а я ф о р м и р уе т и м п ул ь с ,
з а д а ва я е г о вр е м я н а р а с т а н и я . Л и н и я н а г р уж а е т с я э ле к тр о д а м и ,
ус к о р я ющ и м и п уч о к .
Гл а ва 2 .
6
Бо л ь шо й Ад р о нн ы й К о л л а й де р ( БА К ) .
LHC —
сокращение
от
Large
Hadron
C o l l i de r ,
Бо л ьш о й
а д р о н н ы й к о лл а й д е р . «Бо л ьш и м » о н н а з ва н и з - за с во е г о р а зм е р а
(его
п е р и м е тр
с о с т а в ля е т
примерно
27 км),
«адронным» —
п о то м у ч то о н ус к о р я е т п р о то н ы и тя ж е лы е я д р а , к о то р ы е
я вл я ю тс я а д р о на м и ( то е с т ь ч а с ти ц а м и , с о с то я щ и м и и з к ва р к о в ) ,
« к о лл а й д е р о м » — п о то м у ч то ус к о р я ют с я э ти ч а с ти ц ы в д в ух
п уч к а х ,
ц и р к ул и р ующ и х
н а п р а в ле н и я х ,
и
в нём
в с п е ц и а льн ы х
в п р о ти во п о ло ж н ы х
местах
с та лк и ва ютс я
д р уг
с д р уг о м . L HC н а х о д и тс я н а т е р р и то р и и Ш ве й ц а р и и и Фр а н ц ии ,
вб ли зи Ж е н е вы , в т ун н е ле н а г луб и н е о к о ло 1 0 0 м е тр о в ( р а н ьш е
в это м
же
тун н е ле
располагался
э ле к тр о н - п о зи тр о н н ый
к о лл а й д е р L EP ) . И с с ле д о в а н и я н а н ё м к о о р ди н и р уе т ЦЕ Р Н —
Е вр о п е й с к и й
ц е н тр
ядерных
и с с ле д о ва н и й ,
но
р е а льн о
р а б о т а ю т н а н ё м д е с я тк и ты с я ч ч е ло ве к и з с а м ы х р а зн ы х с тр а н и
о р г а н и за ц и й .
В
LH C
можно
вы д е ли т ь
сам
ус к о р и т е л ь
и
н е с к о л ьк о
д е те к то р о в, п о с тр о е н н ы х во к р уг то ч е к с то лк н о в е н и я п р о то н о в .
В самом
ус к ор и т е л е
п р о то н ы
р а зг о н я ют с я
до
эн е р г и и
7 Т эВ н а п р о то н , т а к ч то п о лн а я эн е р г и я в с и с т е м е ц е н тр а м а с с
д в ух с та лк и ва ющ и х с я п р о то н о в р а вн а 1 4 Тэ В . В к а ж д о м и з д вух
в с тр е ч н ы х
п уч к о в —
многие
м и л ли а р д ы
п р о то н о в ,
п о э то м у
п о лн а я эн е р г и я , з а п а с е н н а я в п уч к е , о ч е н ь ве ли к а , о н а п р и м е р но
р а вн а к и н е ти ч е с к о й эн е р г и и ле тя щ е г о с а м о ле т а . Д е т е к то р ы —
э то
о тд е льн ы е
с ло ж н о с ти
На LHC
не
эк с п е р и м е н т а льн ы е
ус т а н о в к и ,
п о с во е й
самому
ус к о р и те л ьн о м у
к о л ьц у.
н е с к о льк о
эк с п е р и м е н то в ,
каждый
ус т уп а ю щ и е
р а б о та е т
сразу
с о с во и м д е те к то р о м . Д ва с а м ы х г ла вн ы х — э то A T L AS и C M S .
7
З а да ч и , с т о я щ ие пе р е д L H C
В это м п о д р а зд е ле я х о ч у р а с с к а з а т ь ва м о за д а ч а х L HC ;
о б ы ч н о ут ве р ж д а е тс я , ч то ц е л ью L HC я вл я е тс я о тк р ы ти е
х и г г с о вс к о г о б о зо н а . Не с м о тр я н а вс ю ва ж н о с ть это й за д а ч и ,
э то в с е г о ли ш ь о д и н и з п ун к то в д о во л ьн о о бш и р н о й н а уч н о й
п р о г р а м м ы L HC . А с е й ч а с я р а с с к а ж у ва м о б о с н о вн ы х п ун к т а х
э то й п р о г р а м м ы .
В о - п е р вы х , ф и зи к о в и н те р е с уе т, н а с а м о м д е ле , н е с то л ьк о
сам
хиггсовский
б о зо н ,
с к о льк о
х и г г с о вс к и й
м е х а н и зм
н а р уш е н и я э ле к тр о с ла б о й с и м м е тр и и . И м е н н о и з уч е н и е это г о
м е х а н и з м а , во зм о ж н о , н а то лк н е т ф и зи к о в н а н о в ую т е о р ию
н а ш е г о м и р а , б о ле е г л уб о к ую , ч е м С т а н д а р тн а я м о д е л ь .
Х и г г с о вс к и й б о зо н — э то «ч а с ти ц а - о тг о ло с о к » э то г о м е х а н и зм а ;
е г о п р о с то уд о б н е е вс е г о и з уч а т ь и м е н н о ч е р е з о тк р ы ти е и
и з уч е н и е
х и г г с о вс к о г о
б о зо н а .
На уч н а я
п р о г р а м м а LHC ,
р а з ум е е тс я , н е о г р а н и ч и ва е тс я о д н и м ли ш ь о б н а р уж е н и е м
б о зо н а Хи г г с а , н о и вк лю ч а е т в с е б я м н о г о ч и с ле н н ы е з а д а ч и п о
д о с к о н а л ьн о м у и з уч е н и ю е г о с во й с тв .
В о - в то р ы х , н а Бо л ьш о м а д ро н н о м к о лл а й д е р е ве д ут с я
п о и с к и с уп е р с и м м е тр и и . “С уп е р с и м м е тр и я – э т о о ч е н ь с и л ьна я
и г л уб о к а я т е о ре ти ч е с к а я и д е я о б ус тр о й с т ве н а ш е г о м и р а ” . Он а
п о к а н е п о д т ве р ж д е н а эк с п е р и м е н то м , н о , во зм о ж н о , LH C
с м о ж е т н а й ти е е п р о я в ле н и я .
В - тр е тьи х , уч е н ы е и з уч а ют то п - к в а р к и . “Т о п - к ва р к и —
с а м ы е т я ж е лы е и з и зв е с тн ы х н а с е г о д н я ф ун д а м е н та л ьн ы х
ч а с ти ц , п р и ч е м о н и н а м н о г о тя ж е ле е в с е х о с та л ьн ы х к ва р к о в ” .
Э то н а во д и т ф и зи к о в н а м ы с ль , ч то то п - к ва р к и м о г ут и г р а ть
в а ж н ую р о л ь в с а м о м п р о ц е с с е н а р уш е н и я э л е к тр о с ла б о й
с и м м е тр и и . К р о м е то г о , то п - к ва р к и м о г ут о к а з а т ьс я уд о б н ы м
р а б о ч и м и н с тр ум е н то м д ля п о и с к а х и г г с о в с к о г о б о зо н а . В с ё это
тр е б уе т вн и м а т е л ьн о г о и з уч е н и я с во й с т в то п - к ва р к о в н а L HC .
О б щ и й ви д
L H C — ц и к ли ч е с к и й ( то е с т ь к о льц е во й ) к о л ла й д е р ; п уч к и
8
п р о то н о в и ли я д е р
с ви н ц а ц и р к ули р ую т в н ё м н е п р е р ы вн о ,
с о ве р ш а я с вы ш е 1 0 ты с я ч о б о р о то в в с е к ун д у и с т а лк и ва я с ь
н а к а ж д о м к р уг е с о в с тр е ч н ы м п уч к о м . На р и с ун к е 1 п о к а за н а
схема
р а с п о ло ж е н и я
о с н о вн ы х
эл е м е н то в
ус к о р и те л ьн ог о
к о льц а L HC .
Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC
В с ё к о л ьц о L HC п о д е л е н о н а в о с е м ь с е к то ро в , г р а н и ц ы
к о то р ы х о т м е ч е н ы то ч к а м и о т 1 д о 8 . Н а к а ж д о м уч а с тк е ( 1 – 2,
2–3
и т . д .)
п уч к о м .
с то я т
Б ла г о д а р я
в ряд
м а г н и ты ,
м а г н и тн о м у
уп р а вл я ю щ и е
полю
п о во р о тн ы х
п р о то н ны м
м а г н и то в
с г ус тк и п р о то н ов н е ул е та ю т п р о ч ь п о к а с а те л ьн о й , а п о с то я н но
п о во р а ч и ва ют с я , о с та ва я с ь вн утр и ус к о р и те л ьн о г о к о л ьц а . Эти
9
м а г н и ты ф о р м и р ую т о р б и т у, вд о л ь к о то р о й д в и ж утс я п р о то ны .
К р о м е то г о , с п е ц и а л ьн ы е ф о к ус и р ую щ и е м а г н и ты с д е р ж и ва ют
поперечные
к ол е б а н и я
п р о то н о в
о тн о с и те л ьн о
«и д е а льн о й »
о р б и ты , н е д а ва я и м з а д е в а т ь с те н к и д о во л ьн о уз к о й ( д и а м е тр о м
н е с к о л ьк о с а н ти м е тр о в ) ва к уум н о й тр уб ы .
В н утр и ус к о р и те ля и д ут р я д о м д р уг с д р уг о м дв е в а к уум н ы е
тр уб ы ,
п уч к а ,
п о к о то р ы м
к а ж д ый
ц и р к ул и р ую т
в с во е м
д ва
вс тр е ч н ы х
н а п р а в ле н и и .
Эти
п р о то н н ы х
д ве
тр уб ы
о б ъе д и н я ю тс я в о д н у то л ьк о в с п е ц и а л ьн о вы д е л е н н ы х м е с т а х —
в то ч к а х 1 , 2 , 5 , 8 . В эти х то ч к а х п р о и с х о дя т с то л к н о ве н и я
в с тр е ч н ы х
п р о то н н ы х
п уч к о в ,
и
именно
во к р уг
них
п о с тр о е н ы ч е ты р е о с н о вн ы х д е те к то р а : д ва к р уп н ы х — AT L AS и
C M S , и д ва с р е д н и х — A LI C E и L HC b . В б ли зи д в ух к р уп н ы х
э к с п е р и м е н то в
ус та н о в ле н ы
также
два
с п е ц и а ли зи р о ва н н ы х
м е л к и х д е те к то ра — TO T EM и LH C f .
В то ч к е 4 р а с п о л о ж е н а ус к о р и те л ьн а я с е к ц и я . И м е н н о зд е с ь
п р о то н н ы е п уч к и п р и р а зг о н е п о л уч а ют с к а ж д ы м о б о р о то м
д о п о лн и те льн ую э н е р г и ю . В то ч к е 6 н а х о д и тс я с и с т е м а с б р о с а
п уч к а . З д е с ь ус т а н о в ле н ы б ы с тр ы е м а г н и ты , к о то р ы е в с л уч а е
н е о б х о д и м о с ти ув о д я т п уч к и п о с п е ц и а л ьн о м у к а н а л у п р о ч ь о т
ус к о р и т е л я . В то ч к а х 3 и 7 ус та н о вл е н ы с и с те м ы ч и с тк и п уч к а ;
к р о м е то г о , эти м е с т а з а р е з е р ви р о в а н ы д ля во зм о ж н ы х б уд ущ и х
э к с п е р и м е н то в.
П р о то н н ы е
ус к о р и т е л я
с о е д и н я ющ и е
п уч к и
SPS.
два
попадают
Ли н и и
эти х
в LHC
передачи
к о л ьц е вы х
10
из
п р е д ва р и те льн о г о
п уч к а
( Tl 2 и Tl 8 ) ,
ус к ор и т е ля
в м е с те
с о с п е ц и а л ьн ы м и
м а г н и та м и
в м е с те и н ж е к ц и о н н ы й
на каждом
и з ни х ,
к о м п ле к с к о л ла й д е р а
LHC
с о с та в ля ют
(от
с ло ва
« и н ж е к ц и я » — в п р ы с к и в а н и е п уч к а ) . По с к о л ьк у н а S P S п уч о к
к р ути тс я
с о с то и т
то л ьк о
из
д в ух
в одну
ли н и й
с то р о н у,
и
и н ж е к ц и он н ы й
имеет
к о м п ле к с
н е с и м м е тр и ч н ы й
ви д .
В ус к о р и т е л ьн о е к о льц о S P S п р о то н ы п о п а д а ю т и з и с то ч н и к а
ч е р е з ц е п о ч к у е щ е м е н ьш и х ус к о р и те ле й .
З а кл юч е н ие
С о вр е м е н н а я те о р и я э ле м е н т а р н ы х ч а с ти ц о п и р а е тс я н а
о п р е д е ле н н ую с и м м е тр и ю м е ж д у э л е к тр о м а г н и тн ы м и и с ла б ы м и
11
в за и м о д е й с т ви я м и — э ле к тр о с ла б ую с и м м е тр и ю . С ч и т а е т с я , ч то
э та с и м м е тр и я б ы л а в р а н н е й В с е ле н н о й и и з - за н е е ч а с ти ц ы
б ы ли
п о н а ч а лу
б е з м а с с о вы ,
но
н а к а к о м - то
э та п е
она
с а м о п р о и зво л ьн о н а р уш и ла с ь , и ч а с ти ц ы п р и о б р е ли м а с с у.
В теории
э ле м е н та р н ы х
ч а с ти ц
д ля
э то г о
н а р уш е н и я
э л е к тр о с ла б о й с и м м е тр и и б ы л пр и д ум а н х и г г с о в с к и й м е х а н и зм .
И м е н н о е г о д о лж е н б уд е т и з уч и т ь LH C .
Д ля это г о в э к с п е р и м е н те п о тр е б уе тс я о тк р ы т ь х и г г с о вс к и й
б о зо н — ч а с ти ц у - о тг о ло с о к х и г г с о вс к о г о м е х а н и зм а . Ес ли это т
б о зо н б уд е т н а й д е н и и з уч е н , ф и зи к и уз н а ют , к а к п р о т е к а ло
н а р уш е н и е с и м м е тр и и , и д а ж е , во з м о ж н о , с о зд а д ут н о в ую , б о ле е
г л уб о к ую те о р и ю н а ш е г о м и р а . Е с ли э то т б о зо н н е б уд е т н а й д е н
( н и в к а к о м ви д е ) , то п о тр е б уе тс я с е р ье зн ы й п е р е с м о тр
С та н д а р тн о й м о д е ли э ле м е н та р н ы х ч а с ти ц , п о с к о л ьк у б е з
х и г г с о вс к о г о м е х а н и зм а о н а р а б о т а т ь н е м о ж е т .
В эк с п е р и м е н т а х н а ус к о р и т е л я х вы с о к и х эн е р г и й и з уч а ю тс я
самые
эк с тр е м а л ьн ы е
с о с то я н и я
м а те р и и .
Хо тя
эти
э к с тр е м а л ьн ы е с о с то я н и я во зн и к а ю т в к р о ш е ч н ы х о б ъе м а х и
н а с о ве р ш е н н о
н и ч то ж н о е
вр е м я ,
эти
о б ъе к ты
всё
же
« ч уж е р о д н ы »
для
п р и вы ч н о г о
нам
мира.
Поэ то м у
п р и п р о е к ти р о ва н и и
н о вы х
ус к о р и те ле й
н а с ве р х вы с ок и е
энергии
п о ле зн о
за д а ва ть
себе
во п р о с : “н е
могут
ли
э к с п е р и м е н ты н а э то м у с к о р и те л е н а н е с ти в р е д о к р у ж а ющ е м у
нас миру?”
Э то т во п р о с б ы л, р а з ум е е т с я , п о с та вл е н п е р е д н а ч а ло м
р а б о ты н а д с о зд а н и е м L HC , и н а н е г о б ы л д а н о тр и ц а те льн ы й
о т ве т.
Фи зи к и - эк с п е р и м е н та то р ы —
по-хорошему
к о н с е р ва ти вн ы е л юд и , и е с ли б ы с ущ е с тво в а ли м а ле й ш ие
п о во д ы д ля р е а л ьн ы х с о м н е н ий в б е зо п а с н о с ти L H C , с о б ы ти я
р а зви ва ли с ь б ы с о вс е м и н а ч е .
Д ля то г о ч то б ы м а к с и м а л ьн о о б ъ е к ти вн о и з уч и ть и и з ло ж и т ь
п о ло ж е н и е в е щ е й , п р и L HC бы ла с о зд а н а с п е ц и а л ьн а я г р уп п а
L S A G ( t h e LHC S a f e t y A s s e s s me n t Gr o u p ) , к о то р а я с н о ва
п е р е п р о ве р и л а во п р о с ы б е зо п а с н о с ти L HC . Ее о к о н ч а т е л ьн ы й
12
отчет основан
н а б о ле е
с ве ж и х
т е о р е ти ч е с к и х ,
э к с п е р и м е н та л ьн ы х и н а б л юд а те л ьн ы х д а н н ы х и п о д т ве р ж д а е т,
а и н о г д а и ус и л и в а е т б о ле е р а н н и е вы во д ы ( п о д о б н ы е о тч е ты
д е ла ли с ь и р а н ьш е , в то м ч и с ле и д ля д р уг и х ус к о р и т е л е й ) .
Ниже
п е р е ч и с ле н ы
ч е ты р е
в о з м о ж н о с ти ,
к о то р ы е ,
в принципе,
м о г ли
бы
п р и в е с ти
к
«к а та с тр о ф и ч е с к о м у
с ц е н а р и ю » эк с п е р и м е н то в н а LH C . Д ля к а ж д о г о ва р и а н та к р а тк о
о п и с а н о , п р и к а к и х те о р е ти ч е с к и х п р е д п о ло ж е н и я х о н м о г б ы
р е а ли зо ва т ьс я , и за т е м п р и в е д е н ы эк с п е р и м е н та л ьн ы е и ли
а с тр о ф и зи ч е с к и е
данные,
к о то р ы е
д о к а зы ва ю т
б е зо п а с н о с ть LH C .
Г ла вн ы й а р г ум е н т п р о ти в «к а та с тр о ф и ч е с к ог о с ц е н а р и я »
з а к лю ч а е тс я в то м , ч то , п о м е р к а м п р и р о д ы , L HC — о ч е н ь
с к р о м н ы й эк с п е р и м е н т . К о г д а к о с м и ч е с к и е л уч и б о м б а р д и р ую т
З е м л ю , то вр е м я о т вр е м е н и п р о и с х о д я т с то л к н о ве н и я ,
э н е р г е ти ч е с к и э к ви ва ле н тн ы е с то л к н о ве н и я м н а LH C . З а вс ё
вр е м я с ущ е с т вов а н и я З е м ли о н а «н а к о п и ла » с то лк н о ве н и й в с то
ты с я ч р а з б о л ьш е , ч е м п ла н и р уе т с я н а б р а т ь н а LH C за вр е м я е г о
р а б о ты . Ес ли ж е п р и н я ть во вн и м а н и е д р уг и е н е б е с н ы е т е л а , то
ч и с ло во зр а с т а е т н а п о р я д к и . Оц е н е н о , ч то к а ж д ую с е к ун д у
в о В с е ле н н о й
происходят
м и лли о н ы
эк с п е р и м е н то в,
п р е во с х о д я щ и х L H C п о эн е р г и и и к о ли ч е с т в у с то лк н о ве н и й .
В п р е с с е и н о г да п и ш ут , ч то , с о г ла с н о ЦЕ Р Н у, о ф и ц и а л ьн а я
о ц е н к а ве р о я тн о с ти к а та с тр о ф и ч е с к о г о с ц е н а р и я — 1 ш а н с к
5 0 м и л ли о н а м . Э то н е ве р н а я и н ф о р м а ц и я . В о - п е р вы х , в о тч е та х
п о б е зо п а с н о с ти ф и г ур и р уе т н е с а м а в е р о я тн о с ть , а о г р а н и ч е н и е
с в е р х у н а эт у в е р о я тн о с ть ( то е с ть ут в е р ж д а е тс я , ч то эта
в е р о я тн о с ть за ве д о м о м е н ь ш е н е к о то р о г о п р е д е л а , н о к а к а я о н а
н а с а м о м д е л е , н е ут ве р ж д а е тс я ) . Оц е н и т ь ве р о я тн о с т ь то г о , ч то
к а к а я - то эк зо ти ч е с к а я те о р и я о к а ж е тс я ве р н о й , вр я д ли
во зм о ж н о , а и з н а б люд а те л ьн ы х д а н н ы х ( то е с ть о тс утс т вия
с ви д е т е л ьс т в
р а зр уш е н и я
небесных
те л
под
д е й с т ви е м
к о с м и ч е с к и х луч е й ) н и ч е г о , к р о м е о г р а н и ч е н и я
с в е р х у,
о п р е д е ли т ь
н е л ь зя .
В о - вто р ы х ,
ф и г ур и р ую щ и е
в о тч е те
о г р а н и ч е н и я с в е р х у н а м н о г о п о р я д к о в м е н ь ш е это г о ч и с л а .
13
14
С п и с о к л ит е р ату р ы
1 . О н л а й н Эн ц и к л о п е д и я К р уг о с ве т. На ук а те х н и к и . Фи зи к а .
У с к о р и те ли
заряженных
ч а с ти ц
h t t p : / / w w w. k r u g o s v e t . r u / e n c / n a u k a _ i _ t e h n i k a / f i z i k a / US K OR I T E L_
C H AS TI T S .h t ml
2 . Э л е м е н ты
{ Э ле м е н ты
h t t p : / / e l e me n t y. r u / LH C
б о л ьш о й
н а ук и } .
3 . У с к о р и те ли
заряженных
h t t p : / / w w w. c u l t in f o . r u / f u l l t e x t / 1 /0 0 1 / 0 0 8 / 1 14 / 6 1 6. h t m
4 . К о ло м е н с к и й А . А . и Ле б е д е в
ус к о р и т е л е й », 1 9 6 2 . С . 1 1 .
15
А . Н .:
« Те о р и я
L HC .
ч а с ти ц
ц и к ли ч е с к и х