Выполнила: Лосик Ольга Студентка группы: У4-01. Ускорители элементарных частиц Это сложные инженерные сооружения, которые позволяют физикам проникнуть. - презентация

1 Выполнила: Лосик Ольга Студентка группы: У4-01

2 Ускорители элементарных частиц Это сложные инженерные сооружения, которые позволяют физикам проникнуть глубоко внутрь пространства и исследовать свойства материи на очень коротких расстояниях

3 Элементарные частицы Основной метод изучения элементарных частиц состоит в том, что ядро-мишень бомбардируется мощным пучком протонов или электронов, а ученые ведут наблюдения за осколками ядра, образующимися в результате столкновений.

4 Как работает ускоритель? Частицы разгоняются до больших скоростей, затем ускоренные частицы приводят в столкновение с мишенями. Первичные частицы, налетая на ядра мишени, взаимодействуют с ними и возникают различные ядерные реакции, в процессе которых могут рождаться и новые элементарные частицы. Продукты реакции, разлетаясь в разные стороны, регистрируются приборами.

5 Действие электрического поля на заряженные частицы Частица, ускоренная электрическим полем, многократно проходит по кольцу ускорителя, поскольку в кольце создано магнитное поле, заставляющее заряд двигаться по кругу

6 Действие магнитного поля на заряженные частицы Любая заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, меняет свою скорость таким образом, что, не приобретая энергии, движется все время по кругу. Причем положительно и отрицательно заряженные частицы движутся в противоположных направлениях.

7 Классификация ускорителей По 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

8 Линейный ускоритель В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки 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. Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC)

9 В линейном ускорителе, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет.

10 Виды линейных ускорителей 1) Высоковольтный ускоритель - класс устройств для получения заряженных частиц высоких энергий. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды.

11 2) Линейный индукционный ускоритель - ускорение происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка. 3) Линейный резонансный ускоритель Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов.

12 Циклический ускоритель В циклических ускорителях «ведущее» магнитное поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности или спирали Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного цикла.

13

14 Виды циклических ускорителей 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».

15 Циклотрон циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

16 Устройство циклотрона Между двумя полукруглыми полыми электродами (3) - дуантами, приложено переменное электрическое напряжение (4). Дуанты помещены между полюсами электромагнита. Частица (1), вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте (2) электрическим полем в щели между дуантами. С увеличением энергии на каждом обороте радиус траектории частицы будет увеличиваться. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу.

17 Коллайдеры ускорители заряженных частиц на 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, а после их столкновений – наблюдается образование других частиц

18 Типы ускорителей на встречных пучках Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды, то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов (рис. 1б). В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы, то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков (рис. 1а).

19 Действующие ускорители Ускоритель (Центр, Страна) Годы работы ВЭПП-2000 (Новосибирск) с 2005 ВЭПП-4М (Новосибирск) с 1994 ВЕРС-П (Китай) с 2007 КЕКВ (Япония) с 1999 РЕР-П (SLAC, США) с 1999 SLC (SLAC, США) LEP (CERN) HERA (DESY, Германия) с 1992 закрыт Sp S (CERN) TEVATRON (Fermilab, США) с 1987 RHIC (Brookhaven, США) с 2000 LНС (CERN) c

20 Большой адронный коллайдер

21 Что такое БАК?

22 Расшифровка названия Большим БАК назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет м; адронным из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide сталкиваться) из- за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах.

23 Идея проекта 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.

24 БАК - самый высокоэнергичный ускоритель элементарных частиц в мире, на порядок превосходящий по энергии своих ближайших конкурентов протон- антипротонный коллайдер Тэватрон (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

25 Пуск коллайдера В августе 2008 года успешно завершились предварительные испытания БАК, а 10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. К сожалению, после первого запуска коллайдера произошла авария. Больше года шли ремонтные работы. Он был запущен в ноябре 2009 года.

26 Размещение LHC Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (CERN), на границе Швейцарии и Франции, расположен под землёй. 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).

27 Цели экспериментов на БАК Главная из них – это подтвердить или опровергнуть новые физические теории - стандартную модель (the Big Bang theory), теорию струн, теорию суперсимметрии. «Суперсимметрия» теория, гласящая, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».

28 Изучение хиггсовского механизма. 1) найти частицу, похожую на хиггсовский бозон, 2) проверить, что эта частица обладает свойствами, которые ожидаются от хиггсовского бозона, 3) выяснить, какой из вариантов хиггсовского механизма согласуется с экспериментальными данными. Бозон или частица Хиггса, была предсказана Хиггсом ещё в 1964 г, чтобы объяснить, почему частицы имеют массу, т.е. каким образом возникла масса в ранней Вселенной.

29 Узнать соотношение тёмной материи и тёмной энергии. Это поможет нам предсказать судьбу нашей Вселенной. Расчёты показывают, что Вселенная будет продолжать расширяться с ускорением, её температура и плотность упадут до нуля и в конечном счёте она погибнет. Правда, произойдёт это не скоро. БАК, возможно, поможет физикам понять природу невидимой материи и объяснить различное содержание этих материй во Вселенной.

30 Изучение топ-кварков. Это самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Они интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Изучение кварк-глюонной плазмы. Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений.

31 LHC В 27-километровом кольцевом подземном тоннеле протоны будут разгоняться «на встречных курсах» до немыслимых прежде в земных условиях энергий, а картины происходящих соударений и взаимодействий будут изучаться в 4-х экспериментальных зонах тоннеля.

32 Процесс ускорения частиц в коллайдере 1) 1) траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (p и Pb). 2) Частицы попадают в бустер протонного синхротрона (PS), через него в протонный суперсинхротрон (SPS) 3) Ускорение частиц продолжается в SPS 4) Пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

33 Разгон элементарных частиц будет происходить следующим образом - два пучка частиц будут двигаться в противоположном направлении на огромной скорости. Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит протонам сталкиваться. Направлять частицы будут несколько тысяч сверхпроводящих магнитов.

34 Вопросы безопасности В начале двадцать первого века руководство ЦЕРНа поручило специальной комиссии в составе шести ученых из Великобритании, Германии, Дании, Франции и Швейцарии проанализировать все вообразимые опасности, которые может представлять новый ускоритель. В 2003 году отчет комиссии был опубликован.

35 Отрицательно заряженные страпельки Страпельки (странные капельки, англ. strangelets) - гипотетические объекты, состоящие из странной материи - условно говоря, свободных кварков, не объединенных в адроны. По одной из гипотез, попадание отрицательно заряженной страпельки на Землю может привести к тому, что вся планета превратится в странную материю: сталкиваясь с ядром какого- нибудь атома, страпелька вызывает его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии и разлетанием во все стороны страпелек

36 существование страпелек пока не доказано. Даже если предположить, что они существуют, то, по современным теориям, в БАКе не будет условий для их возникновения - а даже если возникновение все-таки произойдет, страпелька не сможет просуществовать сколь-нибудь значительное время и распадется прежде, чем начнется опасная цепная реакция.

37 Черные дыры Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что такие объекты не могут возникать при энергиях коллайдера LHC в нашем четырёхмерном пространстве, так как для этого потребуется энергия большая на 16 порядков по сравнению с энергией пучков LHC. Однако, даже если черные дыры будут возникать при столкновении частиц на LHC, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц.

38 Магнитные монополи Магнитный монополь - полюс магнита, существующий отдельно от другого полюса магнита. Ни одного монополя пока не обнаружено - как ни дели любой магнит на части, он все равно имеет два полюса и остается диполем. Авторы отчета доказывают, что даже если магнитный монополь возникнет в коллайдере и окажется устойчив, то он неизбежно скоро покинет Землю. До покидания он успеет уничтожить, по самым пессимистичным оценкам, 1018 протонов, что ничтожно мало.

39 Применение Научные исследования. Стерилизация (продуктов питания, медицинского инструмента). Медицина (лечение онкологических заболеваний, радиодиагностика, лучевая терапия, «бескровная хирургия»). Металлургия для выявления дефектов деталей и конструкций. Деревообрабатывающая промышленность для быстрой высококачественной обработки изделий

40 Спасибо за внимание!