Элементарные частицы и физический эксперимент

Цель: формирование обобщенных представлений о явлениях в микромире.

Вопросы:

1. Современные ускорители.

2. Рождение и аннигиляция элементарных частиц.

3. Виды взаимодействий фундаментальных частиц.

4. Теория кварков.

5. Виртуальные частицы, квантовый вакуум.

Блок базовых понятий:ускорители частиц, аннигиляция частиц, взаимодействие частиц, кварк, квантовый вакуум, виртуальные частицы

Современные ускорители

Ускори́тель заря́женных части́ц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, представляет собой кольцо периметром 27 километров, потребляющее 12000 МВт, а в Дубне (Россия) строится адронный коллайдер порядка 50 километров. Т.е. мастабы таких сооружений грандиозны и требуют больших технических и материальных затрат. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы. Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители. Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды.

Линейные ускорители электронов небольших энергий часто используются, как часть самых разных электровакуумных приборов (электронно-лучевая трубка, кинескоп, рентгеновская трубка и др.).

Циклотрон – это ускоритель, в котором элементарные частицы движутся по замкнутым траекториям.

Рис.6.1. Устройство циклотрона.

Устройство циклотрона: 1 — место поступления частиц, 2 — траектория их движения, 3 — электроды, 4 — источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

Идея циклотрона проста. Между двумя полукруглыми полыми электродами, т.н. дуантами, приложено переменное электрическое напряжение. Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Частица, вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии, на каждом обороте, радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов. Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1931 году Лоуренсом, за что ему была присуждена Нобелевская премия в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжелых частиц до относительно небольших энергий, до 50МэВ/нуклон.

Бетатрон или индукционный ускоритель – циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10-100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

Синхрофазотрон – циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами. Для ультрарелятивистских электронов в процессе ускорения частота обращения практически не меняется, и используются синхротроны.

Колла́йдер (англ. collider от англ. collide – сталкиваться) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Благодаря коллайдерам ученым удается придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, а после их столкновений – наблюдать образование других частиц.

По виду коллайдеры подразделяются на кольцевые, например, Большой адронный коллайдер в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) и линейные.

Фундаментальные исследования ХХ века в ядерной физике привели к созданию сначала атомной и водородной бомб, а затем – атомных электростанций. А в скором будущем, как обещают ученые, человек обуздает и неисчерпаемый источник термоядерной энергии (по сообщениям новостных лент в 2005 г начали строить первый испытательный термоядерный реактор во Франции). Возможно, успехи физики микромира и понимание того, из чего состоит материя и почему она стабильна, откроют совсем новые технологические горизонты, позволив получать энергию прямо из массы, следуя знаменитой формуле Эйнштейна Е = мс².

Расположенная недалеко от Женевы Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) – пост физики микромира. На протяжении 50 лет здесь раскрываются невероятные тайны мироздания и по крупицам добываются интереснейшие данные о том, как рождаются вселенные, куда миллиарды лет назад исчезла антиматерия и почему все имеет массу. Здесь же построен сверхмощный ускоритель – Большой Адронный Коллайдер – LHC, запуск которого осуществлен в 2009 году.

Большой Адронный Коллайдер (LHC) - крупнейшая в мире установка для ускорения, накопления и столкновения пучков частиц сверхвысоких энергий. Благодаря ускорителю физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Эксперименты планируется начать в 2009 году. На ускорителе будут сталкиваться пучки протонов с энергиями до 7 ТэВ и пучки ускоренных ядер с энергиями до 1150 ТэВ. Причем это будут не только самые энергичные, но и самые интенсивные пучки в мире. Длина вакуумного кольца, в котором будут ускоряться частицы, – 27 км. Чтобы удержать пучек частиц в кольце, необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить только с использованием эффекта сверхпроводимости. LHC будет самой большой "сверхпроводящей" установкой в мире с удерживающим магнитным полем величиной 10 Тесла. Около 4000 т металла будет охлаждено до температуры всего на 2° выше абсолютного нуля. В результате ток в 1,8 миллиона ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям почти без потерь.