Презентация на тему Зачем нужны ускорители элементарных частиц

однако «приборы» у них совсем других размеров.
Объект исследований

- микромир, хранящий пока тайны строения материи, пространства и времени. Эксперименты с элементарными частицами помогают развивать фундаментальную науку, а, значит, понять основы мироустройства.
Микромир можно исследовать только с помощью «частиц-разведчиков», разогнанных до сверхвысоких энергий. Чтобы получить нужную энергию, требуются мощные электрические и магнитные поля, для чего и сооружают грандиозные по размерам и по сложности машины – ускорители.

Зачем физикам гигантские ускорители ?

Ускорители заряженных частиц

столь существенных затрат , что для увеличения научной эффективности

экспериментов при тех же деньгах нужно объединение усилий как физиков, так и заинтересованных государств.
В таких центрах науки, как Объединённый институт ядерных исследований (Россия), Брукхейвенская национальная лаборатория и Фермилаб (США) и других работают исследователи со всего мира.
Создана и успешно функционирует Европейская организация по ядерным исследованиям - ЦЕРН (CERN), крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, участниками которой являются десятки государств (У России статус страны-наблюдателя). Основным проектом ЦЕРНа в данное время является Большой адронный коллайдер (LHC).

Кому «принадлежат» ускорители ?

Ускорители заряженных частиц

мире насчитывается примерно 17 тысяч
ускорителей, но лишь несколько

десятков
из них относятся к высокоэнергетическим
и используются в научных целях.
Фундаментальная наука — это основа
технологий в долгосрочной перспективе.
Подавляющее большинство – это
компактные низкоэнергетические
ускорители, использующиеся в целях медицины, дефектоскопии,
обеззараживающих облучений и т. д.
«Большая» наука уже сегодня дала методики и приборы, которые с
успехом служат людям, это: адронная терапия раковых опухолей,
позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия и др.

Ускорители заряженных частиц

инструмента).
Медицина (лечение онкологических заболеваний, радиодиагностика).
Производство полупроводниковых устройств

(инжекция примесей).
Радиационная дефектоскопия.
Радиационное сшивание полимеров.
Радиационная очистка топочных газов и сточных вод.

Ускорители заряженных частиц

удивительной схожести математического описания природных явлений и процессов и

проследить аналогии между объектами из разных её областей.
В современной физике эта «математическая экономность» природы ещё больше убеждает в том, что всё в природе взаимосвязано. Физика элементарных частиц, как составная часть физического знания о мире, находится на этапе становления, поэтому остаётся только догадываться, какие тайны и возможности перед нами откроются по мере её развития.

Зачем нужно развивать физику элементарных частиц?

Ускорители заряженных частиц

взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями: частицы

разгоняются до больших скоростей, затем ускоренные частицы приводят в столкновение с мишенями.
Соударение частиц высоких энергий совсем не похоже на столкновение шаров при игре в бильярд. Мир высоких энергий и невообразимо малых расстояний настолько специфичен, что для описания взаимодействий в нём используется квантовая физика.
Задача исследователя — восстановить картину события по зафиксированным следам частиц. Результат взаимодействия изучается путём анализа поведения очень большого числа частиц и проводится с помощью ЭВМ

Ускорители заряженных частиц

напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её

энергию.
В однородном электрическом поле движение заряженных частиц происходит с постоянным ускорением, в неоднородном – с переменным. Во всех случаях при отсутствии сил сопротивления энергия, приобретённая изначально покоящейся частицей, равна работе, совершённой силами поля:
 

Ускорители заряженных частиц

не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой

движутся частицы.
Движение нерелятивистских частиц описывается классической физикой:
при α = 90°
радиус окружности


период обращения


Для описания движения релятивистских частиц в однородном магнитном поле используется математический аппарат релятивистской физики.

Действие магнитного поля на заряженные частицы

Ускорители заряженных частиц

типу ускоряемых частиц (различают электронные ускорители, протонные ускорители и

ускорители ионов).
По характеру траекторий частиц (линейные ускорители, в которых траектории частиц прямолинейны, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности или спирали).
По характеру ускоряющего поля.
По механизму, обеспечивающему
устойчивость движения частиц в
перпендикулярных к орбите
направлениях.
И др.

Ускорители заряженных частиц

по
принципу сообщения энергии. Можно:
«нанизать» по прямой однотипные участки,

собранные из стандартной, но достаточно сложной и дорогой аппаратуры, чтобы в каждом из них частицы последовательно приобретали новые порции энергии – построить линейный ускоритель;
заставить пучок частиц проходить один и тот же ускоряющий участок многократно – построить «кольцевой», или «циклический» ускоритель.
Для достижения высоких энергий используют кольцевые ускорители, там,
где не нужны высокие энергии частиц - линейные ускорители.

Принципы построения ускорителей заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц

в способах ускорения частиц при помощи различных ускорителей заряженных

частиц:
а - линейный ускоритель;
б - циклотрон;
в - синхроциклотрон;
г-синхрофазотрон.

Ускорители заряженных частиц

к прямым линиям. По всей длине таких ускорителей располагаются

ускоряющие станции. Наибольший из работающих линейных ускоритель (электронный ускоритель в Стэнфорде) имеет длину 3,05 км. Линейные ускорители позволяют получить мощные потоки частиц, но при больших энергиях оказываются слишком дорогими.

Ускорители заряженных частиц

Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC)

траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности (кольцевые ускорители

или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротроны).
Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного цикла.

Ускорители заряженных частиц

энергии к концу периода ускорения скорость частиц увеличивается настолько,

что они обращаются по круговой орбите практически с постоянной частотой, поэтому синхрофазотроны для протонов высоких энергий называют «протонными синхротронами».

Ускорители заряженных частиц

Деление осуществляется в зависимости от особенностей режимов ускорения :
если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени - «циклотрон»,
если магнитное поле нарастает во время цикла ускорения - «синхротрон»,
если при этом изменяется и частота ускоряющего поля - «синхрофазотрон».

полукруглыми полыми электродами (3) - дуантами, приложено переменное электрическое

напряжение (4). Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле.
Частица (1), вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте(2) электрическим полем в щели между дуантами, если частота изменения полярности напряжения на дуантах равна частоте обращения частицы (циклотрон является резонансным ускорителем).
С увеличением энергии на каждом обороте радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.

и построен в 1931 году американскими физиками Э. Лоуренсом и

С. Ливингстоном, за что была присуждена Нобелевская премия в 1939 году.

Первый из циклических ускорителей

Ускорители заряженных частиц

встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. В

коллайдерах элементарным частицам вещества сообщается наиболее высокая энергия, так как при встречном движении растёт относительная скорость.
Это чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.

связывается именно с коллайдерами. Их сооружено пока считанные единицы,

и находятся они в самых развитых странах мира - в США, Японии, ФРГ, а также в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), базирующейся в Швейцарии (в России (Протвино) к концу 20-го века был сооружен подземный кольцевой тоннель длиной 21 км для российского коллайдера, однако этот проект к началу 21 века был остановлен по ряду причин, прежде всего – финансовых).
Самый мощный из действующих находится в США и называется "Тэватрон", поскольку в его кольце длиной более 6 км и с использованием сверхпроводящих магнитов протоны ускоряются до энергии около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ =1000 ГэВ). .

Ускорители заряженных частиц

сокращённо БАК) — кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках,

предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.
БАК  - это самая сложная экспериментальная установка, когда-либо созданная человеком. Его сложность — не только инженерная, но и научная, ведь его функционирование опирается на множество самых разных физических явлений.

Что такое БАК?

БАК

LHC:
Изучение хиггсовского механизма. Подробнее про поиск и изучение бозона

Хиггса на LHC
Поиск суперсимметрии мира.
Изучение топ-кварков. Подробнее про изучение топ-кварков на LHC
Изучение кварк-глюонной плазмы.
Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений.
Проверка экзотических теорий.

БАК

родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью

годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

БАК

исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на

границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы, расположен под землёй на территории Франции и Швейцарии.
БАК размещён в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер (длина окружности 26,7 км, глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров).

Размещение LHC

БАК

«на встречных курсах» до немыслимых прежде в земных условиях

энергий, а картины происходящих соударений и взаимодействий будут изучаться в 4-х экспериментальных зонах тоннеля, где размещено оборудование 4-х многоуровневых детекторов вторичных частиц. Эти детекторы называют по их английской аббревиатуре: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, и каждый из них нацелен на свою (в зависимости от типа устанавливаемого научного оборудования) экспериментальную программу.

Ускорители заряженных частиц

описывающую все явления в которых участвуют элементарные частицы, называют

Стандартной Моделью физики элементарных частиц. За единственным исключением, бозона Хиггса, все частицы Стандартной Модели наблюдались экспериментально.
Эксперимент ATLAS будет проводиться на детекторе с тем же названием и предназначен для поиска сверхтяжёлых элементарных частиц. Физики верят, что эксперименты на детекторах ATLAS и CMS могут пролить свет на физику за рамками Стандартной Модели.
Размеры детектора ATLAS: длина - 46 метров, диаметр - 25 метров, общий вес - около 7000 тонн. В проекте участвуют около 2000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и универсистетов из 35 стран.

Ускорители заряженных частиц

часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей

цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.
Да, безопасны. Эта уверенность основана на надежно проверенных законах физики, на экспериментальных данных с предыдущих ускорителей, а также на астрофизических данных.

БАК

испытания БАК, а 10 сентября был произведён официальный запуск

коллайдера. В 12:28 по московскому времени запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.

К сожалению, после первого запуска коллайдера произошла авария. Больше года шли ремонтные работы. В ближайшее время коллайдер заработает снова!

БАК

(LHC, та же аббревиатура, что и у БАК). Первая

песня этого коллектива «Collider» была посвящена парню, который забыл о своей девушке, будучи увлечённым созданием коллайдера.

БАК

стартовал в апреле 1997 года) в четвёртом сезоне главные герои

оказываются на Земле. Обнаруживается, что Земля относится к планетам «типа 13», на последней стадии развития. Планеты типа 13 всегда уничтожают себя сами, в результате неудачного опыта по определению массы бозона Хиггса на сверхмощном ускорителе элементарных частиц, при этом сжимаясь до размеров горошины. В конечном итоге, Земля была уничтожена.

Ускорители заряженных частиц

Парк» с помощью магнита из Большого адронного коллайдера была

достигнута сверхсветовая скорость на конкурсе Дерби соснового леса (Pinewood Derby).

БАК

Большого адронного коллайдера было украдено, и похитители хотели взорвать

с помощью него Ватикан.

БАК

производства BBC последним из четырёх наиболее вероятных сценариев апокалипсиса

являлась авария при запуске новейшего ускорителя элементарных частиц, повлекшая за собой образование чёрной дыры.

БАК