Рассуждения о LHC, электронвольтах, материи и энергии
Всем хиггсовский привет! В связи с тем, что коллайдер уже некоторое время находится в стадии ремонта и модернизации, интересных новостей о нем нет. Но вот сейчас появились: он почти готов к запуску! Но хотя в главном кольце LHC еще ведутся работы, техники уже приступили к постепенному вводу в строй самых первых звеньев инжекционного комплекса коллайдера — цепочки предварительных ускорителей, которые поставляют протонные пучки в LHC. Как сказано, к апрелю будущего 2015 года все работы должны быть закончены и БАК будет запущен с новой силой, два раза большей по сравнению с 2012 годом, а именно практически на проектной мощности в 13 — 14 тераэлектронвольт.
«Машина пробуждается от долгого сна после проведенной хирургической операции. Теперь мы будем очень аккуратно будить ее, и нам предстоит провести множество тестов, прежде чем столкновения возобновятся в начале следующего года. Наша цель на 2015 год — осуществлять физическую программу на энергии 13 ТэВ», — заявил директор CERN по ускорителям и технологии Фредерик Бордри.
Также можно сказать несколько слов и о самом бозоне Хиггса. Бозон Хиггса — чрезвычайно важный элемент Стандартной модели и многих теорий за ее пределами. По этой причине важнейшей задачей Большого адронного коллайдера является не только открытие бозона, но и тщательное измерение всех его параметров, до которых могут «дотянуться» экспериментаторы. И иногда в процессе этого измерения появляются неожиданные результаты, не вполне вписывающиеся в стандартную картину, которые теоретики тут же бросаются объяснять разнообразными новыми эффектами.
Один такой пример касается массы хиггсовского бозона. Эта величина точнее всего определяется из двух самых удобных для анализа каналов распада бозона Хиггса — на два фотона и на два Z-бозона. Измерение массы бозона можно провести независимо для обоих каналов распада, а потом сравнить числа друг с другом. Если речь идет об одном и том же бозоне, они, разумеется, должны совпасть.
Однако результаты этих измерений, обнародованные в конце 2012 года, существенно расходились друг с другом. В 2013 году статистика подросла, но подозрительное расхождение осталось. Изучение двухфотонного распада дало тогда массу 126,8 ± 0,7 ГэВ, а распад на Z-пары показал 124,3 ± 0,7 ГэВ. Поскольку другой детектор, CMS, ничего подобного не наблюдал, большинство физиков считало, что причиной этого расхождения были какие-то неучтенные погрешности анализа или банальная статистическая флуктуация. Впрочем, высказывались и смелые предположения, что на самом деле есть два бозона Хиггса с очень близкой массой, которые видны каждый в своем типе распада, — такие теории тоже существуют.
В вышедшем на днях е-принте arXiv:1406.3827 коллаборация ATLAS приводит обновленные результаты измерения массы хиггсовского бозона, полученные после обработки всей накопленной статистики (см. также краткое сообщение на сайте коллаборации). Увы, никаких сюрпризов не оказалось. Новые значения постепенно приближаются друг к другу, а их погрешности уменьшаются. Некоторое отличие, впрочем, пока остается: теперь ATLAS сообщает о массе 125,98 ± 0,50 ГэВ по двухфотонным данным и о 124,51 ± 0,52 ГэВ по данным распада на Z-пары. Однако это отличие уже не столь существенно. Всё говорит о том, что в данных действительно проявилась статистическая флуктуация, которая постепенно сходит на нет при увеличении объема данных.
Объединение этих двух результатов ATLAS друг с другом дает массу бозона Хиггса 125,36 ± 0,41 ГэВ. Это практически совпадает — как по значению, так и по точности — с результатом CMS. В ближайшие годы новый объем данных позволит уменьшить погрешность еще в несколько раз.
— на основе материалов elementy.ru —
Электронвольт
Теперь очень кратко расскажу, что же это такое эти «ГэВ» и «ТэВ», о которых тут и там говорится в статьях. Как правило СМИ тупо копируют эти буковки совершено не понимая, что оно за зверь такой. А это на самом деле очень интересная величина.
Это гигаэлектронвольт и тераэлектронвольт соответственно. Как понятно из приставок гига- и тера- это множители, а основной величиной является электронвольт (эВ). Это, так называемая, внесистемная единица энергии, которую используют в атомной и ядерной физике, а также в физике элементарных частиц — как раз в той области физики, на поприще которой и трудится Большой адронный коллайдер.
Вот определение «электронвольта» из Википедии:
Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 вольт.
Под элементарным (электрическим) зарядом тут понимают наименьший электрический заряд, известный в природе. Если хотите более подробное описание — пожалуйте сюда. Ну в остальном, я думаю, понятно, надеюсь все учились в школе и примерно понимают, что такое электростатическое поле, разница потенциалов и вольты.
В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия, но и масса элементарных частиц. Как это видно из всех статей о БАКе: в электронвольтах измеряют и энергию с которой он работает, и массу частиц, в данном случае бозона. Это само собой выходит из всем (ну, почти всем) известной формулы: Е = mc², или по-другому: m = E/c².
Ну и так как формула, с которой всегда рядом маячит Альберт Эйнштейн с высунутым языком (хотя не он ее придумал), показывает неразрывную связь между энергией и массой, и применять величину «электронвольт» можно как относительно энергии, так и относительно массы. Кстати, массу частиц корректнее выражать в эВ/c², но делитель c², там, где не может возникнуть двусмысленности, обычно опускают.
Я не помню слышал ли это выражение где-нибудь или сам его придумал, но оно очень хорошо иллюстрирует формуру «е равно эм цэ квадрат»: ничто ниоткуда не берется и никуда не девается :)
Вооот… Размазал кашу по стеклу. Ну ничего, кто захочет разобраться и копнуть поглубже — тот копнет! Главное — нужно заинтересоваться, а там пойдет-поедет. А что же, все-таки, такое — энергия? Мы постоянно употребляем это слово, постоянно оно звучит отовсюду, а у кого не спроси, что понимать под этим словом — полный ступор. Я точно также стану в ступор в попытке рассказать, что такое энергия «на пальцах». Хотя и попытаюсь…
Все нижеследующее — мои мысли, которые я пишу на ходу, никакой основательной научной теорией они не подкреплены, поэтому возможны неточности. И если Вы уличили меня в том, что я заблуждаюсь, прошу — поправьте и дополните. Все это очень интересно и сложно, поэтому истину стоит искать вместе. А так как я сам праздноинтересующийся и рассказываю я также для праздноинтересующихся, я не рассчитываю, что доктора наук и настоящие физики будут колоть мне глаза за мои неточности.
Энергия
Энергия это такое сложное понятие, которое, как и многие другие, вообще сложно описать словами. Да-да, я не ошибся. Именно «сложно описать словами», проще охватить это понятие всем разумом, влиться в него, «увидеть» его у себя в голове. Вы скажете: в физике все описывается не словами, а формулами. Я не спорю — так и есть, но попробуйте без специального образования и опыта понять эти формулы… Вряд ли у вас этой выйдет. То-то и оно. Я всегда, при изучении чего-то нового, стараюсь докопаться до самой сути, до самого основания. И понимая элементарные, базисные понятие, можно потихоньку подниматься выше — к сложному. Так и будем идти вверх, медленно, на ощупь…
Возьмем два понятия: «материя» и «энергия». Материя это то, из чего состоит пространство, все вещи, люди, планеты, звезды, частицы, все, что нас окружает. Материя объективна, то есть не зависит от того, знаем мы о ней, мы не можем повлиять на материю своим сознанием (то есть, если будем долго убеждать себя и стул, что его (стула) нет — он все равно никуда не денется). Материя может взаимодействовать между собой и превращаться в энергию: проще всего уменьшить количество вещества (материю) за счет увеличения энергии, самый простой пример — горение.
Гипотетически… Вот есть ведро угля, обозначив количество угля как М. Сожжем уголь. В итоге осталось несколько грамм пепла и выделилось значительное тепло. То есть часть материи мы трансформировали в энергию, в данном случае в тепловую. И если сейчас к остаткам пепла (материя) прибавить величину тепла (энергия), то получим все то же число М. Ниже будет доказательство, что это рассуждение похоже на правду.
А что можно сделать с тепловой энергией? Преобразовать в другой вид энергии — в механическую (заставить работать паровую машину), а механическую в электрическую, а электрическую в электромагнитную или световую и так далее. Таким образом мы подошли к тому, что энергию можно получить из материи, а потом трансформировать в различные виды энергии.
А можно ли из энергии получить материю? Хороший вопрос. Можно. Вот для этого и нужен большой адронный коллайдер и ему подобные ускорители частиц: берем протоны, засовываем в коллайдер, с помощью сумасшедшей силы магнитного поля разгоняем их до диких скоростей и сталкиваем, при столкновении получится целая куча разных частиц. Вот так потратив энергию мы получим материю. Это хорошо иллюстрирует видео, на котором показан общий принцип работы БАКа (на отметке 5:35 видно этот процесс):
Скорее всего все равно не очень ясно что же такое энергия, а на этот случай у меня запасено еще одно объяснение (читая, вспомните об угле выше). На этот раз от нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, который в 1961 году в своих лекциях по физике сказал замечательную вещь:
Существует факт, или, если угодно, закон, управляющей всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечено. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним.
Красота! Я бы тоже хотел иметь мозг в голове…
Ну вот вроде бы и все. Напоследок оставлю тут несколько ссылок для тех, кто хочет почитать сложные физические изыскания:
- Статья «Энергия» на Википедии
- Статья «Материя» на Википедии
- Статья «Позитрон» на Википедии
- Формы энергии и виды энергии
- Статья «Рождение пар» на Википедии
- Статья «Аннигиляция» на Википедии
Если снежинка не растает
В твоей ладони не растает
Тогда у меня для тебя плохие новости
Метки: Large Hadron Collider, LHC, БАК, материя, электронвольт, энергия
Писано 23.07.2014
