МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ Кафедра гуманитарных и социально – экономических наук Научно-исследовательская работа по дисциплине «Физика» Тема: Большой адронный коллайдер, Бозон Хиггса, Стандартная модель Выполнил: студент группы БТМО-22 Долганов В. А. Проверила: Ожегова С.М. Новотроицк, 2022г. Содержание 1. Большой адронный коллайдер 3 2. Бозон Хиггса 5 3. Стандартная модель 7 4. Опасность использования БАК 8 Заключение 11 Список используемой литературы 12 Ι. БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР Большой адронный коллайдер (LHC, или же БАК) — это ускоритель частиц, расположенный в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) недалеко от Женевы, Швейцария. Это самый большой и самый мощный ускоритель частиц в мире с окружностью 27 километров. Основная цель LHC состоит в том, чтобы сталкивать пучки высокоэнергетических частиц вместе, чтобы изучать результирующие взаимодействия и образующиеся частицы. Эти столкновения позволяют физикам изучать фундаментальные частицы и силы, составляющие Вселенную, с беспрецедентным уровнем детализации. LHC работает, ускоряя пучки частиц, обычно протонов, почти до скорости света, используя серию ускоряющих структур. Затем эти лучи направляются в точки столкновения, где сталкиваются частицы, создавая поток новых частиц, которые обнаруживаются массивными детекторами, окружающими точки столкновения. Одним из наиболее значительных открытий, сделанных на LHC, стал бозон Хиггса в 2012 году. Помимо открытия бозона Хиггса, БАК также использовался для поиска других новых частиц и явлений, таких как суперсимметрия, дополнительные измерения и темная материя. LHC — это действительно международное сотрудничество, в котором тысячи ученых и инженеров со всего мира работают вместе, чтобы обрабатывать и анализировать данные экспериментов. Данные, собранные LHC, находятся в открытом доступе, что позволяет исследователям всего мира изучать их и вносить свой вклад в понимание физики элементарных частиц Несмотря на многочисленные успехи, работа над LHC все еще продолжается, и в будущем планируется модернизация и усовершенствование. Эти усовершенствования увеличат энергию и интенсивность столкновений, что позволит физикам изучать еще более экзотические частицы и явления. В истории Большого адронного коллайдера выделяют несколько интересных фактов, например: 1. Стоимость проекта БАК составила около 6 миллиардов долларов. Он был построен за 10 лет с 1998 по 2008 годы и считается одним из самых дорогих научных экспериментов в истории. 2. Ускоритель протяженностью более 27 км состоит из 9 секций, которые содержат по 1232 магнитных элемента, создающих магнитное поле, ускоряющее заряженные частицы до скорости близкой к скорости света. 3. При постройке БАКа было несколько технических проблем. Например, одна из секций ускорителя не удавалось поддерживать достаточно высокое напряжение, чтобы ускорять частицы. Эта проблема была решена путем установки более мощных и эффективных магнитов. 4. Еще одной проблемой было создание магнитов с достаточно высокой точностью, чтобы они могли удерживать заряженные частицы в нужном направлении. Для решения этой проблемы ученые использовали компьютерные программы для расчета траектории частиц и разработали новые методы изготовления магнитов. БАК также служит важной платформой для международного сотрудничества в научной области. На его территории работают ученые из более чем 100 стран мира, в том числе из России, США, Китая и Индии. В заключение можно сказать, что Большой адронный коллайдер — замечательный научный инструмент, который произвел революцию в нашем понимании фундаментальных частиц и сил, составляющих Вселенную. Его открытия открыли новые направления исследований и дали ценную информацию о работе Вселенной в самых маленьких масштабах. У физики элементарных частиц светлое будущее, и БАК продолжит играть центральную роль в наших поисках знаний о Вселенной. ΙΙ. БОЗОН ХИГГСА Бозон Хиггса — субатомная частица в области физики элементарных частиц, названная в честь физика Питера Хиггса. Впервые это было теоретизировано им и несколькими другими физиками в 1960-х годах как часть Стандартной модели физики элементарных частиц. Бозон Хиггса часто называют частицей, которая придает массу другим частицам во Вселенной. Согласно механизму Хиггса, частицы приобретают массу, взаимодействуя с полем, называемым полем Хиггса, которое пронизывает все пространство. Возбуждением этого поля является бозон, и его открытие подтвердило существование механизма Хиггса. Открытие этого бозона стало возможным благодаря ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса имеет спин 0 и несет электрический заряд 0, что делает его отличным от большинства других элементарных частиц. Ученые надеются, что изучение свойств чудо-частицы поможет им понять более глубокие вопросы о природе материи и темной материи, а также поможет объяснить, почему существует больше материи, чем антиматерии в нашей Вселенной. Обнаружение “Частицы Бога”, как её любят называть СМИ, оказало значительное влияние на некоторые теории физики за пределами стандартной модели, такие как суперсимметрия и теории мультивселенных. Суперсимметрия - это теория, которая предполагает существование новых частиц, называемых суперсимметричными партнерами стандартных частиц, которые могут объяснить тайну темной материи. Обнаружение бозона Хиггса было важным тестом для суперсимметричных теорий, так как суперсимметрия предсказывает наличие дополнительных таких же бозонов. Хотя ни одна из таких частиц пока не была обнаружена, существование бозона Хиггса подтверждает, что суперсимметричные частицы могут существовать и могут быть обнаружены в будущих экспериментах. Теории мультивселенных предполагают, что наша Вселенная является лишь одним из многих параллельных мирозданий. Бозон Хиггса может оказаться ключевой частью этих теорий, так как его масса может влиять на процессы, происходящие в других Вселенных. Например, если масса бозона Хиггса была бы другой, то это могло бы привести к появлению различных типов частиц в других Вселенных, и, следовательно, к совершенно другой физической реальности. ΙΙΙ. СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ Стандартная модель физики элементарных частиц — это теоретическая основа, описывающая поведение субатомных частиц и их взаимодействие посредством сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Это очень успешная модель, которая была тщательно проверена и подтверждена экспериментальными данными. Согласно Стандартной модели существует два основных типа субатомных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы — это частицы, составляющие материю, такие как электроны и кварки, а бозоны — это частицы, передающие фундаментальные силы, такие как фотоны и W- и Z-бозоны. Модель предсказывает существование и других частиц, таких как нейтрино, которые наблюдались в экспериментах, и темной материи, которая еще не обнаружена напрямую. Одной из ключевых особенностей Стандартной модели является объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в электрослабое взаимодействие. Это было достигнуто благодаря открытию бозонов W и Z в 1980х годах, что предоставило экспериментальное подтверждение теории. Несмотря на свой успех, Стандартная модель не является полной теорией Вселенной, поскольку она не учитывает гравитацию или темную энергию и оставляет много вопросов без ответа. Например, модель не объясняет, почему материи во Вселенной больше, чем антиматерии, или почему нейтрино имеют массу. Таким образом, физики все еще работают над созданием более полных теорий, способных объяснить эти явления и выйти за рамки Стандартной модели. IV. ОПАСНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАК Черные дыры Чёрная дыра — область в пространстве-времени, сила гравитационного притяжения которой настолько сильна, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут ее покинуть. Это чрезвычайно плотные компактные объекты с массой от 4 до 170 миллионов раз превышающей солнечную. Хотя черные дыры по определению огромны, вполне возможно хотя бы в теории, что небольшое количество материи — десятки микрограммов — могут быть упакованы достаточно плотно, чтобы создать черную дыру. Это и будет примером микроскопической черной дыры. До сих пор никто не наблюдал и не производил микроскопических черных дыр — даже БАК. Но некоторые ученые опасаются , что разгон субатомных частиц до 99,99% скорости света и последующее их столкновение могут создать настолько плотное месиво частиц, что появится черная дыра. Физики CERN сообщают, что общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что на БАК невозможно произвести такое экзотическое явление. Но что, если Эйнштейн ошибался? Даже если так, другая теория, разработанная известным астрофизиком Стивеном Хокингом, предсказывает, что даже если микроскопическая черная дыра образуется внутри БАК, она мгновенно распадется, не представляя никакой угрозы для существования Земли. В 1974 году Хокинг предсказал, что черные дыры не просто пожирают материю, но и выплевывают ее в виде чрезвычайно высокоэнергетического излучения Хокинга. Согласно теории, чем меньше черная дыра, тем больше излучения Хокинга она выдает в космос, постепенно сходя на нет. Таким образом, микроскопическая черная дыра, став наименьшей, исчезнет, прежде чем сможет нанести ущерб и уничтожить нас. Возможно, по этой причине мы и не видели микроскопических черных дыр. Страпельки Стра́пелька («странная капелька») — гипотетический объект, состоящий из «странной материи», образованной адронами, содержащими «странные» кварки. Странная материя рассматривается в космологии как кандидат на роль «тёмной материи». Элементарные частицы, состоящие из «верхних», «нижних» и «странных» кварков, и даже более сложные структуры, аналогичные атомным ядрам, обильно производятся в лабораторных условиях, но распадаются за время порядка 10^-9 сек. Это обусловлено гораздо большей массой странного кварка по сравнению с верхним и нижним. Вместе с тем существует гипотеза, что достаточно большие «странные ядра», состоящие из примерно равного количества верхних, нижних и странных кварков, могут быть более стабильными. Дело в том, что кварки относятся к фермионам, а принцип Паули запрещает двум одинаковым фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии, вынуждая частицы, «не успевшие» занять низкоэнергетичные состояния, размещаться на более высоких энергетических уровнях. Поэтому если в ядре имеется три разных сорта («аромата») кварков, а не два, как в обычных ядрах, то большее количество кварков может находиться в низкоэнергетических состояниях, не нарушая принципа Паули. Такие гипотетические ядра, состоящие из трёх сортов кварков, и называются страпельками. Предполагается, что страпельки, в отличие от обычных атомных ядер, могут оказаться устойчивыми по отношению к спонтанному делению даже при больши́х массах. Если это верно, то страпельки могут достигать макроскопических и даже астрономических размеров и масс. Предполагается также, что столкновение страпельки с ядром какого-нибудь атома может вызывать его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии. В результате во все стороны разлетаются всё новые страпельки, что теоретически может привести к цепной реакции. Высказываются опасения, что данный процесс каталитического превращения обычной материи в странную может привести к превращению в странную всей материи, из которой состоит наша планета. Физики CERN, однако, утверждают, что если и удастся создать страпельку, шансы на то, что она будет взаимодействовать с обычной материей, весьма невелики: «При таких высоких температурах, которые производятся на коллайдерах, слепить странную материю вместе сложнее, чем образовать лед в горячей воде», — говорят они. Рождение магнитных монополей. В природе магниты обладают двумя концами — северным и южным полюсом. Но в конце 19 века физик Пьер Кюри, муж Марии Кюри, предположил, что нет никаких причин того, почему частица с одним магнитным полюсом не может существовать. Спустя более полувека такая частица под названием магнитный монополь никогда не создавалась в природе и не наблюдалась в природе. То есть она сугубо гипотетическая. Но это не помешало некоторым предположить, что мощная машина вроде БАК может создать первый в истории магнитный монополь, который может уничтожить Землю. Теория того, что монополь может уничтожать протоны — субатомные строительные блоки всей материи во Вселенной — спекулятивная в лучшем случае, объясняют физики CERN. Но допустим, эта теория верна. В таком случае эта частица будет обладать массой, которая слишком велика, чтобы БАК мог создать такую частицу. V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Исследование Большого адронного коллайдера (БАК) и открытие бозона Хиггса были значительными достижениями в физике частиц, которые помогли расширить наше понимание о фундаментальных взаимодействиях в природе. Стандартная модель физики частиц описывает основные строительные блоки материи и их взаимодействие. Однако, до открытия бозона Хиггса, не было экспериментального подтверждения того, как частицы получают свою массу. Стандартная модель не могла объяснить этот процесс. Бозон Хиггса, открытый в экспериментах на БАК, дал ответ на этот вопрос и стал ключом к пониманию происхождения массы частиц. Это было важное подтверждение стандартной модели физики частиц и ее предсказаний. Однако, стандартная модель все еще не объясняет многие феномены, такие как темная материя и энергия, которые составляют значительную часть вселенной. БАК продолжает свою работу в поисках новых частиц и явлений, которые могут помочь расширить наши знания о фундаментальных взаимодействиях и дополнить стандартную модель. Таким образом, Большой адронный коллайдер, бозон Хиггса и стандартная модель являются важными краеугольными камнями в физике частиц и открывают новые возможности для исследования природы нашей вселенной. Список литературы: 1. Бондарев, Б.В. Курс общей физики. Книга 2: Элетромагнетизм, оптика, квантовая физика: Учебник для бакалавров / Б.В. Бондарев, Н.П. Калашников, Г.Г. Спирин. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 441 c. 2. Бояркин, О.М. Физика частиц - 2013: Квантовая электродинамика и Стандартная модель / О.М. Бояркин, Г.Г. Бояркина. - М.:КД Либроком, 2016. - 440 c. 3. Карманов, М.В. Курс общей физики. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела В 4-х ттТ:3/М.В. Карманов.- М.:КноРус, 2012.-384 c. 4. Савельев, И.В. Курс физики. В 3-х тт. Том 3 «Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц»: Учебник / И.В. Савельев. - СПб.: Лань, 2018. - 308 c. 5. Трухачев, В.И. Курс общей физики: Учебник Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / В.И. Трухачев, И.В. Капустин и др. - СПб.: Лань П, 2016. - 320 c 6. Неволин, В.К. Квантовая физика и нанотехнологии / В.К. Неволин. - М.: Техносфера, 2013. - 128 c. 7. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика: Учебное пособие для вузов в10т. Т.3 Квантовая механика.(нерелятивистская теория) / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. М.: Физматлит, 2016. - 800 c. 8. Трофимов, Б.Я. Курс общей физики: Учебное пособие Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела / Б.Я. Трофимов. - СПб.: Лань, 2007. - 320 c. 9. Яворский, Б.М. Основы физики. Учебник в 2-х кн. Кн. 2: Колебания и волны. Квантовая физика. Физика ядра и элементарных частиц / Б.М. Яворский, А.А. Пинский. - М.: Физматлит, 2003. - 552 c. 10. Емельянов В. М. Стандартная модель и её расширения. — М.: Физматлит, 2007. — 584 с. — (Фундаментальная и прикладная физика)
