Зайцева Сx - Школа одарённых детей

Реклама
Министерство образования и науки Астраханской области
ГБОШИ АО «Школа-интернат одаренных детей им. А.П.Гужвина»
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Экспериментальные методы исследования элементарных частиц
Исполнитель:
Зайцева Светлана
Научный руководитель
Арефьева Е.Л.
Астрахань
1
2015г.
Содержание.
1. Введение………………………………………………………………………3
2. Литературный обзор………………………………………………………….3
2.1. История открытия элементарных частиц…………………………………5
2.2. История развития ускорителей……………………………………………10
2.3. Счётчик Гейгера……………………………………………………………13
2.4. Камера Вильсона…………………………………………………………...14
2.5. Пузырьковая камера………………………………………………………..15
2.6. Коллайдер…………………………………………………………………...16
2.7. БАК…………………………………………………………………………..18
2.8. Кому нужны элементарные частицы?..........................................................18
2.9. Зачем нужно изучать нестабильные частицы?............................................19
3. Практическая часть…………………………………………………………..20
4. Заключение…………………………………………………………………….25
5. Список литературы……………………………………………………………28
6. Приложения…………………………………………………………………...29
2
1. Введение.
Средства массовой информации, телевидение. В последнее время часто
упоминается проект БАК.
Узнав впервые о существовании БАК, восхитившись его размерами,
удивившись непонятности и практической бесполезности его задач, как
правило, задаюсь вопросом: а зачем вообще нужен этот БАК?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще
нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один
эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на БАК? Здесь
я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Цель работы: выявить
1)
методы исследования элементарных частиц
2)
для чего необходимо изучать элементарные частицы
3)
что представляет собой БАК и каково его значение для
человечества.
Задачи: изучить историю открытия элементарных частиц,
совершенствования экспериментальных установок.
Объект исследования: элементарные частицы, экспериментальные
установки по их изучению.
Большой адронный коллайдер, LHC (от Large Hadron Collider), или, порусски, БАК — это беспрецедентно сложная установка. Его сложность — не
только инженерная, но и научная, ведь его функционирование опирается на
множество самых разных физических явлений. Здесь мы расскажем
об устройстве и принципе работы различных компонентов как самого
ускорителя, так и работающих на нём детекторов элементарных частиц.
2. Литературный обзор.
В своей работе я постараюсь узнать, зачем физикам нужен БАК и что
именно они хотят узнать с его помощью. Наконец, поскольку БАК — самый
грандиозный эксперимент, когда-либо поставленный человечеством, и
поэтому привлекает к себе огромное внимание со стороны интересующихся
наукой людей, здесь будут также собраны материалы о том, какими
общество видит эксперименты на БАК.
3
Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет
очевидную пользу — их можно съесть. Острый нож тоже полезен
на практике. А вот электродрель с его точки зрения — бессмысленная вещь:
ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную
пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных
потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не
знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается
чрезвычайно полезной.
Отношение большей части общества к фундаментальной науке —
примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже
пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не
задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь
комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти —
результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение.
Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают
задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью
накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателейрационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются
с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые
недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность
для создания принципиально новых устройств или материалов
с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая
параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из
фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается
использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий
в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком
значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих
технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными
исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью
преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом —
можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться
развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую
пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге.
И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной
перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
4
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается
наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества.
Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда
просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории,
это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие
моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира,
доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при
чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься
разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый,
взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки
ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока
неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не
придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым
и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки,
подняться еще на один уровень понимания.
2.1. История открытия элементарных частиц.
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые
заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены
поистине удивительные результаты. Прежде всего, это проявилось в
открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют
элементарными частицами, но далеко не все из них действительно
элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более
элементарных частичек.
Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом
общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце
19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических
спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах,
открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной
радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры
материи.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся
протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся
вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас
веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало,
оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно
короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких
нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже
несколько сотен.
5
В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку
многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых
субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно,
для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы
хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в
себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в
последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры
нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково
значение каждой из элементарных частиц.
Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок.
В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.
Элементарные частицы в точном значении этого термина —
первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению,
состоит вся материя. В понятии “Элементарные частицы” в современной
физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих
все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних
этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его
развитии.
Понятие “Элементарные частицы” сформировалось в тесной связи с
установлением дискретного характера строения вещества на
микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших
носителей свойств вещества — молекул и атомов — и установление того
факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все
известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа
структурных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшем наличия
составных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной
природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц
(протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных
элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание
предполагать, что цепочка составных частей материи завершается
дискретными бесструктурными образованиями — элементарными
частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией
известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может.
Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле
приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например,
длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось,
имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что
последовательность структурных составляющих материи принципиально
бесконечна. Может оказаться также, что утверждение “состоит из...” на
какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От
6
данного выше определения “элементарности” в этом случае придется
отказаться. Существование элементарных частиц — это своего рода
постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач
физики.
Электрон
Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон —
носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах.
Это самая «старая» элементарная частица. В идейном плане он вошел в
физику в 1881 г., когда Гельмгольц в речи в честь Фарадея указал, что
атомная структура вещества вместе с законами электролиза Фарадея
неизбежно приводит к мысли, что электрический заряд всегда должен быть
кратен некоторому элементарному заряду, - т. е. к выводу о квантовании
электрического заряда. Носителем отрицательного элементарного заряда, как
мы теперь знаем, и является электрон.
Максвелл же, создавший фундаментальную теорию электрических и
магнитных явлений и использовавший существенным образом
экспериментальные результаты Фарадея, не принимал гипотезы атомного
электричества.
Между тем «временная» теория о существовании электрона была
подтверждена в 1897 г. в экспериментах Дж. Дж. Томсона, в которых он
отождествил так называемые катодные лучи с электронами и измерил заряд и
массу электрона. Частицы катодных лучей Томсон называл «корпускулами»
или изначальными атомами. Слово «электрон» первоначально
использовалось для обозначения величины заряда «корпускулы». И только со
временем электроном стали называть саму частицу.
Однако идея об электроне не сразу получила признание. Когда на
лекции в Королевском обществе Дж. Дж. Томсон – первооткрыватель
электрона – высказал предположение, что частицы катодных лучей следует
рассматривать как возможные компоненты атома, некоторые его коллеги
искренне считали, что он мистифицирует их. Сам Планк признавался в 1925
г., что не верил тогда, в 1900г., до конца в гипотезу об электроне.
Можно сказать, что после опытов Милликена, измерившего в 1911г.
заряды индивидуальных электронов, эта первая элементарная частица
получила право на существование.
Протон был открыт Э. Резерфордом в 1919 г. в исследованиях
взаимодействия альфа-частиц с атомными ядрами.
7
Точнее открытие протона связано с открытием атомного ядра. Оно
было сделано Резерфордом в результате бомбардировки атомов азота высоко
энергетическими α-частицами. Резерфорд заключил, что «ядро атома азота
распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с
быстрой α-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует
составную часть ядра азота». В 1920 г. ядра атома водорода были названы
Резерфордом протонами (протон по-гречески означает простейший,
первичный). Были и другие предложения по поводу названия. Так, например,
предлагалось название «барон» (барос по-гречески означает тяжесть).
Однако оно подчеркивало только одну особенность ядра водорода – его
массу. Термин «протон» был существенно глубже и содержательнее, отражая
фундаментальность протона, ибо протон – это простейшее ядро – ядро
самого легкого изотопа водорода. Это, несомненно, один из наиболее
удачных терминов в физике элементарных частиц. Таким образом, протоны
— это частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз
превышающей массу электрона.
Нейтрон
Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в
1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия α-частиц с
бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает
электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц
— структурных элементов атомов и их ядер.
Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому
времени были известны лишь протоны – ядра водорода, и электроны, а
потому естественной была попытка объяснить существование изотопов
различными комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных
частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А –
массовое число, и АZ электронов. При этом полный положительный заряд
совпадает с атомным номером Z.
Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила
выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда.
“Естественный радиус” электрона r0 = e2 /mc2 (который получается, если
приравнять электростатическую энергию e2 /r0 заряда, распределенного по
сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2 ) составляет r0 =
2,82*10–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра
радиусом 10–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы
затруднительно. В 1920г. Резерфорд и другие ученые рассматривали
возможность существования устойчивой комбинации из протона и
электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно
8
равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие
частицы с трудом поддавались бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и
выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные
волны при фотоэффекте.
Лишь спустя десятилетие, после того как естественная
радиоактивность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение
стали широко применять, чтобы вызывать искусственное превращение
атомов, было надежно установлено существование новой составной части
ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили
облучение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гейгера
регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку
на это излучение не оказывали влияния электрические и магнитные поля, и
оно обладало большой проникающей способностью, авторы пришли к
выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и
И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее
излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина
выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что, проходя
через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает протоны.
(В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на
электронах, давая комптоновский эффект.)
Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с
помощью ионизационной камеры, в которой собирался заряд, возникающий
при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.
Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где
вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек)
для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота.
Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и
импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение –
это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона.
Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не
выбивают протонов.
Тем самым было подтверждено существование новой частицы,
которую теперь называют нейтроном.
Расщепление металлического бериллия происходило следующим
образом:
Альфа-частицы 42 (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами
бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и
нейтрон.
9
Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые
характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая
нейтроны и протоны как составные части ядер.
Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные
нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в
протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной
нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с
протонами и самопроизвольно не распадаются.
2.2. История развития ускорителей.
Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц.
Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок
металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же
возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и
приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев
насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой
энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» —
электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.
10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений
ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают
от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц
до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон
в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор
постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной
ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок
ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую
ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на
две альфа-частицы.
Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но
быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть
ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от
электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их
траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория
заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от
времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать
энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом
автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите
столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не
обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность
10
потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному
генератору).
Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был
задуман Эрнестом Лоуренсом в 1928 году, хотя идеи о «протонной карусели»
в магнитном поле ранее высказывались норвежцем Рольфом Видероэ (Rolf
Wideroe). Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, дуантов,
внутри которых вращаются частицы. На края зазора подается переменное
напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц.
Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле
подталкивает вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в
обратном направлении, поле уже успевает сменить знак и снова их
подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет
достигнута максимальная энергия.
Принципиально важно, что пока скорость электронов существенно
меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост
скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты.
Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые
интервалы времени.
Первый построенный Лоуренсом циклотрон имел чуть больше 10 см в
диаметре и разгонял частицы до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к
появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-мэвному
многометровому гиганту в 1946 году, но дальнейший рост размеров оказался
сопряжен со слишком большими техническими сложностями (необходимо
обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую
прочность, не мешая при этом пучку раскручиваться по спирали). Чтобы
избавиться от этих проблем вместо огромного диска частицы стали запускать
в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной
орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле.
Ускоритель такого типа получил название синхротрон. В основе многих
современных ускорителей, в частности в основе LHC, лежит принцип
синхротрона.
Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание
коллайдеров — ускорителей со встречными пучками. Изначально эту идею
высказал и даже запатентовал в 1943 году Рольф Видероэ, однако
реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми
командами исследователей: итальянской группой под руководством Бруно
Тушека, американцами из Принстона и Стэнфорда и новосибирской группой,
возглавляемой Г.И. Будкером.
11
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной
мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную
мишень, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой
скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля
энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу
одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому
назначению: на рождение частиц. Поэтому в коллайдерах могут возникать
намного более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной
мишенью при той же энергии пучка.
Чтобы релятивистские частицы продолжали разгоняться в резонансном
режиме, нужно либо постепенно увеличивать напряженность магнитного
поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), либо уменьшать частоту
колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за
снижением частоты обращения частиц, либо согласованно менять параметры
обоих полей.
Будем, например, действовать с помощью одного электрического поля.
Допустим, мы определили, как снижать его частоту. Оказывается, этого
мало. Начальные скорости частиц не будут абсолютно одинаковыми; кроме
того, во время откачки воздуха некоторая доля частиц столкнется с его
молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет работать, лишь если со
временем число подобных отклонений будет сокращаться и частицы
вернутся на правильные траектории. В противном случае все частицы быстро
выйдут из резонанса.
И вот тут на помощь приходит эффект автофазировки, открытый
независимо друг от друга советским ученым Владимиром Векслером при
содействии Евгения Фейнберга и, немногим позже, американцем Эдвином
Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители могут
выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых
энергий — с помощью особого режима колебаний электрического
потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие
отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем
самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не этот режим,
возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом
циклотронных энергий (стоит заметить, что механизм автофазировки
работает и в линейных резонансных ускорителях).
После открытия автофазировки были созданы и воплощены в металле
различные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным
полем и электрическим полем переменной частоты в англоязычной
литературе принято называть синхроциклотроном, а в советской —
12
фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по
раскручивающейся спирали. Ускорители, в которых рост энергии частиц
сопровождается увеличением напряженности магнитного поля, называются
синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей,
окруженных электромагнитами, так что частицы там движутся по орбитам
постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического
поля неизменна (поскольку электроны там движутся почти со световой
скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти
ускорители в СССР, с подачи Векслера, назвали синхрофазотронами.
Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового
диаметра запустили в Брукхейвене в 1952 году. Поначалу она ускоряла
протоны до 2,3 ГэВ, а после полной доводки — до 3,3 ГэВ. В 1953 году в
Бирмингемском университете вступил в действие менее продвинутый
протонный синхротрон на 1 ГэВ. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли,
который годом позже вышел на энергию 6,2 ГэВ (именно на нем впервые
получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне
на 10 ГэВ. Все самые большие циклические протонные ускорители —
синхрофазотроны.
2.3. Счётчик Гейгера.
Cчётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) - газонаполненный
счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого
усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит
от энергии, оставленной частицей в этом объёме. Изобретён в 1908 г. Х.
Гейгером и Э. Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В.
Мюллером.
Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный
счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный
инертным газом. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити)
приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный.
Функционально счётчик Гейгера также в основном повторяет
пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт
более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме,
когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы
развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной
ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область
вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения
(насыщается) и не зависит от первичной ионизации. По существу, при
попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается)
самостоятельный газовый разряд. При этом коэффициент газового усиления
может достигать 10,10 а величина импульса десятков вольт.
13
Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью
регистрации заряженной частицы, так как для возникновения разряда
достаточно одной электрон-ионной пары. Однако длительность сигнала со
счётчика Гейгера сравнительно велика (≈ 10-4 с). Именно такое время
требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие
пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения
электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность
детектора.
2.4. Камера Вильсона.
Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных
частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек
жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г.
(Нобелевская премия 1927 г.).
Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось
создание камеры Вильсона (1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г.
присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона (см. рис. 1) треки
заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации
перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На
ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров
достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при
хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона
обычно ≈ 0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и
спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется
главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на
положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением
давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности
камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для
конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не
перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых
долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить
рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом,
камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла
обычно > 1 мин.
Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при
помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем
траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С
помощью камеры Вильсона в 1932 г. К.Андерсон обнаружил в космических
лучах позитрон.
14
Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской
премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона.
Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть
зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для
наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в
таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона
объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения
газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал
внешних счётчиков.
2.5. Пузырьковая камера.
Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных
частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара
вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г.
(Нобелевская премия 1960 г.).
Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия
камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного
пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории
заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой
перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути
пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая
до температуры большей температуры кипения для данных условий.
Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров
парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона
заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость,
то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает
превращение жидкости в пар.
Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением
внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится
чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После
фотографирования треков давление поднимается до прежней величины,
пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл работы
большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры
Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных
ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно
более быстром режиме – 10-100 расширений в секунду. Моменты
возникновения фазы чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с
моментами попадания в камеру частиц от ускорителя.
Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению
с камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве
15
рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон,
ксенон, фреон, пропан и их смеси). Эти жидкости, являясь одновременно
мишенью и детектирующей средой, обладают на 2-3 порядка большей
плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в
них событий, достойных изучения, и позволяют целиком “уместить” в своём
объёме треки высокоэнергичных частиц.
Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м3).
Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное поле. Пространственное
разрешение пузырьковых камер ≈ 0.1 мм.
Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в
отличие от камеры Вильсона) быстро “включить” по сигналам внешних
детекторов, осуществляющих предварительный отбор событий, так как
жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за
время ≈ 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи
синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события,
инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не
представляет интереса.
2.6. Коллайдер .
Коллайдер (англ. collider, от collide – сталкиваться) – установка, где
сталкиваются встречные пучки ускоренных заряженных частиц. В
коллайдере два пучка частиц предварительно ускоряются в циклических или
линейных ускорителях. Далее они обычно инжектируются в накопительные
кольца, где накапливаются, доускоряются и затем сталкиваются. Если
встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и
противоположные по знаку заряды (например, электрон-позитрон или
протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно накопительное
кольцо (одна система магнитов), внутри которого положительно и
отрицательно заряженные частицы циркулируют в противоположных
направлениях . В некоторых точках этого кольца имеются участки
взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы
имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или
электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых
местах создаются области столкновения (пересечения) пучков. В
накопительных кольцах частицы встречных пучков многократно
сталкиваются и взаимодействуют друг с другом.
Существуют также коллайдеры, в которых частицы сталкиваются
однократно сразу после выхода из линейного ускорителя без
предварительного накопления в кольцах.
Перечень современных коллайдеров дан в таблице.
16
УСКОРИТЕЛЬ Годы
(Центр, Страна) работы
Периметр
Ускоряемые Наибольшие Светимость,
или
частицы
энергии
см-2 сек-1
длина
ВЭПП-2000
(Новосибирск)
с 2005
е+е-
1.0 ГэВ
1032
24 м
ВЭПП-4М
(Новосибирск)
с 1994
е+е-
6 ГэВ
2.1031
366 м
ВЕРС-П
(Китай)
с 2007
е+е-
1.89 ГэВ
1033
238 м
КЕКВ (Япония) с 1999
е+е-
3.5×8 ГэВ
1.1.1034
3.0 км
РЕР-П
(SLAC, США)
с 1999
е+е-
3.1×9.0 ГэВ
6.8.1033
2.2 км
SLC
(SLAC, США)
19891998
е+е-
50 ГэВ
2.5.1030
2.92 км
LEP (CERN)
19892000
е+е-
101 ГэВ
1032
26.7 км
HERA
(DESY,
Германия)
с 1992
е-p
30×920 ГэВ
0.75.1032
6.3 км
Sp S (CERN)
19811990
p
315×315 ГэВ 6.1030
6.9 км
TEVATRON
(Fermilab,
США)
с 1987
p
980 ГэВ
0.5.1032
6.3 км
RHIC
(Brookhaven,
США)
с 2000
Au×Au
100
ГэВ/нуклон
4.1026
3.8 км
LНС (CERN)
с 2007
с 2008
рр
Pb×Pb
7 ТэВ
2.76
ТэВ/нукл
1033
1027
26.7 км
17
2.7. БАК.
Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных
пучках, построенный Европейским центром по ядерным исследованиям
(CERN) в подземном тоннеле протяженностью 27 километров на глубине 50175 метров на границе Швейцарии и Франции. БАК был запущен осенью
2008 года, однако из-за аварии эксперименты на нем начались только в
ноябре 2009 года, а на проектную мощность он вышел в марте 2010 года.
Запуск коллайдера привлек внимание не только физиков, но и простых
обывателей, поскольку в СМИ высказывались опасения по поводу того, что
эксперименты на коллайдере могут привести к концу света.
2.8. Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит
заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести
к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать
фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными
атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся
рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно
легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым
практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная
практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее
всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных
частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке
математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе
Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и
другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное
разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается
лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого
поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из
самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта
тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься
с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта
«математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости
и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц,
электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и
18
внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном
пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары
разных природных явлений с удивительно схожим математическим
описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими
явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя
пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать
о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть
глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но
благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает
как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц —
это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма
крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и
естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце
концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой
теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию,
а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые
возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц
начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились
побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало:
адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография,
мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые
разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько
методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это
именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
2.9. Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов,
электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте
изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут
мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют
к нашему микромиру?
Причин тут две.
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на
свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных
открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом
деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а
19
в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то,
как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них
самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные
силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться
свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими
свойствами.
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая
часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться
с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша
задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать
эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники,
программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так,
повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы
обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы,
сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше,
чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена
природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг
с другом!
3. Практическая часть.
Цель работы:Определить удельный заряд электрона с помощью катушек
Гельмгольца.
Оборудование.
Универсальный источник питания 0-600 В;
универсальный источник питания 0-18 В;
пара катушек Гельмгольца с подставкой;
электронно-лучевая трубка;
мультиметры – 2 шт.;
соединительные провода.
Темы для изучения.
Электрическое поле, магнитное поле, расчет характеристик полей,
движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.
20
Краткая теория.

На электрон, движущийся со скоростью  в магнитном поле с индукцией

В , действует сила Лоренца:


 
F  e, B
(1)


где e  1,6  10 Кл – заряд электрона. Если скорость электрона 

перпендикулярна В , то электрон будет двигаться по окружности. При
отсутствии других сил, применяя второй закон Ньютона, получаем:
19
(2)
| e | B 
m0 2
r
2
31
где m0  9,110 кг – масса электрона, r – значение центростремительного
ускорения. Из (2) следует:

(3)
| e | Br
m0
Первоначально покоящаяся частица с зарядом e и массой m0 в результате
прохождения в электрическом поле разности потенциалов U приобретает
скорость  , которую можно определить из закона сохранения энергии,
имеющего в случае нерелятивистских скоростей следующий вид:
(4)
m0 2
 eU
2
Приравнивая (3) и скорость, полученную из формулы (4), получим
выражение:
(5)
e
2U

m0 r 2 B 2
Таким образом, зная радиус r траектории движения электронов в

известном магнитном поле В , а также ускоряющую разность потенциалов U ,
можно вычислить отношение заряда электрона e к его массе m0 , называемое
удельным зарядом электрона.
Внешний вид установки представлен на рис. 1. В работе используется
электронно-лучевая трубка (рис. 2) в которой находится инертный газ – аргон
1
под давлением 10 Па. Электронная пушка 1 испускает электроны, которые при
прохождении в аргоне создают видимое свечение фиолетового света. Внутри
трубки располагается шкала 2, которая покрыта флуоресцентным веществом.
При попадании на нее электронов высвечивается зеленоватая точка. По этой
21
шкале можно определить диаметр траектории электрона: он будет равен: 4, 6, 8,
10 см.
Последовательное соединения катушек Гельмгольца 3 создает однородное
магнитное поле в центре, где располагается электронно-лучевая трубка.

Магнитная индукция В внутри кольцевой системы определяется по формуле
B  0,715  0
(6)
nI
R
6
где  0  1,256 10 мТл/А – магнитная постоянная, n  154 – число витков в
катушке, R  200 мм – радиус катушки Гельмгольца, I – сила тока в катушках
Гельмгольца.
Выполнение.
Связь магнитной индукции В с напряженностью Н магнитного поля:
В=µµ0Н
µ-магнитная проницаемость изотр. среды
µ0-мангитная постоянная (в вакууме µ=1 )
Магнитная индукция в вакууме: В=µ0Н
По закону Био-Савара-Лапласа:
µ0 Idlsin(dl^ r)
dB=
4π
*
r²
Радиус- вектор r ⊥
Элементу тока dl, а по модулю равен радиусу витка, так что
sin(dl˄r)=1 и r=R
Поэтому
dB=
µ0 Idl
4π
*
R²
Все векторы dB напр. «от нас»
Индукция результирующего поля в точке О:

2 µµ0
В=∫0 =∫
B= µµ0
I
* dl=
4π R²
µµ0
4π
I
2R
Выполнение. Таблица 1
22
∗
I
2
*∫
R² 0
 ;
r,см
I,A
U,B
B,Тл
№
 Кл
;
 кг
1,37
1,38
1
5
0,954*10-3
2,22*1011
1,19*10-3
2,21*1011
1,77*10-3
1,78*1011
2,66*10-3
1,77*1011
250,8
1,39
1,69
1,70
2
4
250,8
1,72
2,55
2,57
3
3
250,8
2,59
3,83
3,84
4
2
250,8
3,85
1.
⃗ внутри кольца:
Магнитная индукция В
nI
В=0,775 µ0
n=154*R=200мм=0,2м

µ0=1,256*10-6 м Тл/А
154∗1,38
В1=0,715*1,256*10-6
0,2
= 954 ∗ 10-6(Тл)
В2=691,5*10-6*1,715=1185-10-6(Тл)
В3=691,5*10-6*2,565=1773*10-6(Тл)
В4=691,5*10-6*3,84=2655*10-6(Тл)
2.Удельный заряд электрона:
e
2U
=
0 r²B²
e
0
e
0
1=
2=
2∗250,8
0.052 ∗(0.95∗10−3 )²
Кл
=2,22*1011 ( )
501,6
0,004 2 ∗(1,19∗10−3 )2
кг
Кл
= 2,21 ∗ 1011 ( )
кг
23
e
0
e
0
e
0


501,6
3=
Кл
0,032 ∗(1,77∗10−3
501,6
4=
=
кг
Кл
0,022 ∗(2,66∗10−3
=
)²
=1,78*1011 ( )
)²
=1,77*1011 ( )
кг
(2,22+2,21+1,78+1,77)∗1011
4
1,6∗10−19
9,1∗10−31
Кл
=2*1011( )
кг
Кл
=0,2*1012 =2*1011 ( )
кг
Погрешность:
nI
В=0,715 µ0
1.
Δ I=
R
0,01 A1 ΔR=0,001м
Ln B= ln I-ln R
dB
B
dI dR
= I
=

5.96∗10−6
2655∗10−6
= 0.2%
I R
B= B( - )
I

0,01
ΔB= 2655*10-6*(
1,38
-
0,001
0,2
)= 5,96*10-6(Тл)
2.
e
=
0
Ln(
l
0

0


0
=
2U
U= 0,1B; Δr=0,002; ΔB=5,96*10-6Тл
r²B²
)= ln2+lnU-2lnr-2lnB
2
2
+


−
2

−
2


∆ 2∆ 2∆

∆ 0 =
−
−



0
∆

 ∆ 2∆ 2∆
=
(
−
−
)
0 0 



0.1
2 ∗ 0,002 2 ∗ 5,96 ∗ 10−6
Кл
11
11
∆
= 2,22 ∗ 10 ∗ (
−
−
==
2
∗
10
(
)
)
0
250,8
0.05
0,95 ∗ 10−3
кг
0,20 ∗ 1011
=
= 9%
2,22 ∗ 1011
Ответ:

0
= (2,22 ± 0,20)1011
Кл
кг
;  = 9%
24
4. Заключение.
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть
устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость»
микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется
длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то
фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить
длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтомуто и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются
на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем
больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле
при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном
магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической
и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры
ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более
эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например,
новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если
эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая
энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако
ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное
орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй
фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой
чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые bфабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные
коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень
высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем
в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их
распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты
могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой
точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и
эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики
тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение
собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей
конкретной практической пользой!
25
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива
LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически
полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков
экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран
понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на
фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны.
Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные
расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на
фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям
бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные
проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими
применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки
и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги
сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными
дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит
в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику
конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику
элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных
частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов
долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на
многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено
в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне
отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних
десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых
на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная
ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких
разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же
деньгах и был создан LHC.
В физике элементарных частиц эксперименты длятся годами, но это
вовсе не значит, что их результатов нужно ждать столь же долго. Коллайдер
непрерывно сталкивает частицы, продукты столкновений постоянно
регистрируются детекторами, и в результате статистика столкновений
непрерывно растет. Первые научные результаты можно получить и при очень
скромном объеме накопленных данных, а по мере накопления статистики
анализ повторяется, и результаты становятся более точными и надежными.
26
Можно сказать, что в процессе работы коллайдер становится всё более и
более прозорливым.
27
5. Список использованной литературы.
1. Современное естествознание: Энциклопедия: в 10 т. – М:
Издательский дом
Магистр-Пресс,2000. –т.4 – Физика элементарных частиц. Астрофизика
– 280 с: иллюстр.
2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник
для ВУЗов – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп. – 639 с.
3. Дубовой Э.И. таинственный мир элементарных частиц. – М.:
Атомиздат, 1979, - 144 с.
4. Мякишев Г.Я. Элементарные частицы, изд. 3-е, испр. и доп. – М.:
Наука,1979. – 176 с.
5. Белокуров В.В. Ширков Д.В. Теория взаимодействий частиц. – М.:
Наука, гл. ред. Физико-математическая литература, 1986. – 160 с.
6. Ахиезер А.И. Рекало М.П. Элементарные частицы. – М.: Наука. 1986.
28
6. Приложения.
Катушки Гельмгольца (рис.1)
29
Катушки Гельмгольца (рис.2)
30
Скачать
Связанные карточки
Создать карточки