НА БАКе (LHC) проводят столкновения протонов с ядрами свинца и пытаются разгадать тайну дисбаланса материи и антиматерии

Автор kbaott, 02.10.2012 | Просмотров: 1 749 |

Давненько я обращал свой взор на ускорители частиц, а именно на мой любимый — Большой адронный коллайдер. А там таки не сидят на месте; ученые работают и используют мощности коллайдера, на которые была потрачена  уйма денег, с замечательными результатами, то бишь оправдывают, а можно сказать, и  отрабатывают потраченные деньги. Так в на прошлой неделе начались испытания LHC на предмет возможности столкновения протонов с ядрами свинца, которые завершились вполне успешно.

Готовясь к этим испытаниям, ученые из CERN ещё в конце 2011 года пробовали ускорять пучки протонов и ионов свинца, не сводя их друг с другом.

«Переход к столкновениям разнотипных частиц технически сложен, — рассказывает сотрудник CERN Джон Джоуэтт, — Такие события асимметричны по энергии, а участвующие в них пучки имеют разные размеры. Нам повезло, что все проблемы были решены очень быстро».

Сложности, о которых говорит Джоуэтт, обусловлены конструкцией самого БАКа, у которого оба кольца для встречных пучков содержатся в единой магнитной системе. Поворотные магниты направляют пучки по узким вакуумным трубам, создавая внутри них магнитное поле, ориентированное перпендикулярно плоскости ускорительного кольца, и отклоняя пролетающие мимо частицы на некоторый угол, зависящий от силы поля и импульса. Пучки согласуются по импульсу, и при нынешних параметрах ускорения протонов (от 0,45 до 4 ТэВ) более тяжёлые ядра свинца, содержащие 82 протона, разгоняются от 36,9 до 328 ТэВ.

Характерные для разнородных пучков расхождения в энергии и частоте обращения по кольцу вынуждают экспериментаторов устанавливать разные параметры сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, во время пролёта сквозь которые и ускоряются частицы на БАКе. Внутри этих полых камер возбуждаются стоячие электромагнитные волны с заданной частотой колебаний, причём в те моменты, когда сгусток частиц проходит сквозь резонатор, колебание должно находиться в такой фазе, чтобы электрическое поле «подталкивало» протоны или ядра вперёд. Настраивая резонаторы на разные частоты, физики поддерживают стабильные орбиты пучков в процессе ускорения.

Основная серия опытов с протонами и ядрами стартует в январе следующего (2013) года. Её результаты, как ожидается, помогут интерпретировать данные по симметричным столкновениям ионов свинца, проводимым на БАКе с 2010 года и на короткое время создающим кварк-глюонную плазму.

Кварк-глюонная плазма (хромоплазма) это состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме. Обычно вещество в адронах находится в так называемом бесцветном («белом») состоянии. То есть, кварки различных цветов компенсируют друг друга. Аналогичное состояние есть и у обычного вещества — когда все атомы электрически нейтральны, то есть, положительные заряды в них компенсированы отрицательными. При высоких температурах может происходить ионизация атомов, при этом заряды разделяются, и вещество становится, как говорят, «квазинейтральным». То есть, нейтральным остаётся всё облако вещества в целом, а отдельные его частицы нейтральными быть перестают. Точно так же, по-видимому, может происходить и с адронным веществом — при очень высоких энергиях, цвет выходит на свободу и делает вещество «квазибесцветным».

Предположительно, вещество Вселенной находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого Взрыва. Сейчас кварк-глюонная плазма может на короткое время образовываться при соударениях частиц очень высоких энергий. Кварк-глюонная плазма была получена экспериментально на ускорителе RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории в 2005 году. В феврале 2010 года там же была получена температура плазмы в 4 триллиона градусов Цельсия. Максимальную температуру — свыше 10 триллионов градусов — получили в ноябре 2010 года на БАК.

Параллельно со столкновениями протонов с ядрами свинца для получения кварк-глюонной плазмы, ученые задумываются над не менее важным вопросом: почему во Вселенной преобладает вещество, а не антивещество? Антивещество (или антиматерия) является зеркальным отражением вещества (материи), а если они встречаются, то уничтожают друг друга (взаимная аннигиляция), в результате чего выделяется энергия. Последние результаты исследований в CERN показывают, что столкновения между протонами, движущимися практически со скоростью света в коллайдере, приводят к образованию большего количества вещества, чем антивещества.

«Очень сложно объяснить избыток вещества, руководствуясь стандартной моделью физики частиц», — говорит Тара Ширс, физик БАК из Университета Ливерпуля.

Ученые надеются, что это наблюдение поможет им выйти за пределы стандартной модели субатомных частиц. Теоретики считают, что во время формирования Вселенной 13,7 млрд лет назад равное или практически равное количество вещества и антивещества сформировались и сталкивались. Однако каким-то образом образовались асимметрия и сегодняшнее преобладание вещества во Вселенной. Последние результаты, похоже, демонстрируют данную асимметрию. В ближайшие полгода 650 ученых будут анализировать миллионы других событий, надеясь получить объяснение тому, почему мы живем в мире вещества, а не антивещества, отмечает издание.

Что же такое — эта антиматерия?

Антиматерия, предмет настолько непонятный и мало- (а скорее вообще неизученный), что является инструментом писателей-фантастов, но как известно — предмет вполне реальный. Физики упорно пытаются получить антиматерию, не смотря на опасность (мнимую или настоящую) того, что произойдет катастрофа, которая способна уничтожить жизнь на планете. Ну вот — им удалось получить ее, теперь они начали борются за увеличение времени ее существования. Еще несколько лет назад антиматерия могла существовать лишь миллионные доли секунды, а сегодня последний рекорд составляет 16 минут.

Самое первое упоминание этого вещества относится к 1928 году, когда физик Поль Дирак в процессе теоретического анализа пришел к выводу, что у электрона должен существовать «брат-близнец» с положительным зарядом. (Стоит только сказать, что электрон канонически имеет отрицательный заряд.) Спустя 4 года, в 1932 году его существование было подтверждено теоретически. Это вещество называли антиэлектрон, но исторически за ним закрепилось название позитрон. Еще позже в 1955 году науке стал известен антипод протона — антипротон, который обладает противоположным зарядом, то есть отрицательным. Нейтрон видимо тоже имеет двойника, но определить его очень трудно, так как нейтрон зарядом не обладает. Но есть другой характерный способ определения антивещества — это его взаимодействие с обычным веществом.

Если взять два атома одного вещества и столкнуть их, то ничего особенного мы не увидим. Они могут взаимодействовать, но не более. Но столкновение двух разных видов материи приведет к их аннигиляции. То есть два атома просто исчезнут, взаимоуничтожив друг друга, при этом выделив огромное количество энергии. Если быть более корректным, то они обратятся в кванты энергии, но суть от этого не меняется. Это их свойство очень мешает ученым. И не так проблематично добыть, как очень трудно сохранить антивещество стабильным сколько угодно длительное время. По сути нужно просто удерживать антиматерию от соприкосновения с любыми атомами вещества, но как это делать, если весь наш мир это материя? Ученые используют специальные магнитные захваты, создавая мощное поле, поддерживающее антивещество в подвешенном состоянии в абсолютной пустоте.

В 1995 году удалось получить первые атомы антиводорода. Обычный атом водорода состоит из протона и вращающегося вокруг электрона, так же и атом антиводорода состоит из антипротона и вращающегося позитрона. Для понимания сложности получения антипротона скажу, что ученые в течении трех недель сталкивали антипротоны с позитронами и получили лишь девять атомов антиводорода, каждый из которых просуществовал приблизительно 40 миллиардных долей секунды и исчез, столкнувшись с атомами обычной материи.

С 2002 года скорость получения антиводорода увеличивается в геометрической прогрессии. И сейчас ученые способны получать уже миллионы атомов антиводорода и удерживать их достаточно долго. Как писалось выше рекорд удержания антиматерии сейчас составляет 16 минут.

Количество энергии выделяемое при аннигиляции антиматерии действительно колоссально. И у многих может возникнуть вполне обоснованный страх, что создание большого количества вещества антиматерии способно нанести непоправимый вред планете, а для людей обратиться катастрофой. Проведем небольшое сравнение со всем нам известной ядерной бомбой, упавшей на Хиросиму. Если перевести мощность ядерного  заряда в тротиловый эквивалент, то вес бомбы составлял 20 000 000 кг тротила. При взрыве выделилось 84х10¹² килоджоулей энергии. Если теоретически предположить, что 1 грамм антиматерии вступит во взаимодействие с 1 граммом материи, то выделится  1,8х10¹⁴Джоулей. Что равно 42,8 000 000 кг тротила. Впечатляет? Еще бы. Для создания бомбы, уничтожившей Хиросиму достаточно лишь пол грамма антиматери. Но все же угрозы на видимом горизонте не просматривается по простой причине. Чтобы добыть 1 грамм антиматерии, при скорости с которой синтезируют антивещество сейчас, нам понадобится около двух миллиардов лет. Не думаю, что такое возможно.

Суть получения антиматерии, как и кварк-глюонной плазмы, проста (ну, не очень проста, если быть честным): получив антивещество и имея возможность изучить его, ученые смогут дать ответы на фундаментальные вопросы возникновения и развития Вселенной. А это уже не шутки. Мы сегодня являемся свидетелями, того как ученые «копаются в тайных архивах Вселенной», все ближе и ближе подбираясь к самой истине.

Ко всему вышесказанному, я также порекомендую прочесть статью из 9-го номера «В мире науки» — «В погоне за Нобелем» (38 стр.), там также затрагивается данная тема.

В заключение предлагаю Вам посмотреть очень интересное видео о большом адронном коллайдере:

Метки: Large Hadron Collider, LHC, антиматерия
Писано 02.10.2012

Понравилась статья? Тогда получайте обновления на e-mail: