Історія та перспективи фізичних експериментів у ЦЕРНі
Зміст
Назва проекту
Історія та перспективи фізичних експериментів у ЦЕРНі
Автори проекту
Учні 10-Б класу Кіровоградського обласного загальноосвітнього навчально-виховного комплексу гуманітарно-естетичного профілю (гімназія-інтернат-школа мистецтв)
Тема дослідження
Наукові відкриття в Європейському центрі ядерних досліджень
Ключеве питання
Звідки ми та куди йдемо?
Проблемні питання
1. З чого все почалось? 2. Яку з теорій виникнення Всесвіту вважають найбільш вірогідною сучасні фізики? 3. Яку з теорій виникнення Всесвіту ви вважаєте найбільш вірогідною?
Навчальні питання
1. Зобразіть графічно структуру матерії. На чому ви зупинились? Що обмежує подальше ділення? 2. Відповіді на які питання шукають фізики в ЦЕРНі на адронному колайдері? 3. Які запитання ви поставите вченим ЦЕРНа на відеоконференції? 4. Чи є небезпечною робота великого адронного колайдера? 5. Чи дійсно нейтріно рухаються зі швидкостями, які перевищують швидкість світла? 6. Чи можна створити бомбу з антіматерії?
Гіпотеза дослідження
Наукове знання невичерпне.
Стандартна модель, навіть якщо буде знайдено бозон Гіггса, не буде остаточною теорією. Із вдосконаленням методів дослідження будуть відкриватися нові факти, для пояснення яких будуть створюватись нові теорії, які включатиме існуючи як окремі складові, вірні тільки в певних межах.
Завдання дослідження
Навчальні: 1. Отримати знання про Стандартну модель, а саме: основні види взаємодії у природі, як вони здійснюються, спроби вчених їх об`єднати, про результати щодо пошуку бозона Гіггса, останньої частинки Стандартної моделі, яка ще не знайдена експериментально. 2. Знати основні гіпотези щодо виникнення Всесвіту (теорія Великого Вибуху), мати уявлення на якому єтапі знаходяться сучасні дослідження фізиків ЦЕРНу стосовно підтвердження цієї теорії. 3. Вивчити різні методи реєстрації елементарних частинок, види сучасних детекторів, які працюють на адронном коллайдері, їх принципи дії, технічні особливості тощо. 4. Ознайомитись з методами обробки великої кількості інформації, яка постійно отримується в ЦЕРНі, узнати що таке ГРІД, яким є внесок України в цей міжнародний проект, взяти безпосередню участь в обробці даних за допомогою власного персонального комп`ютера (за бажанням).
Розвивальні: 1. Оволодіння навичками участі у відеоконференціях, спілкування з товарищами та провідними науковцями щодо світоглядних питань сучасного світу (структура матерії, виникнення Всесвіту, антиречовина та темна матерія); 2. Навчитися працювати в команді (розподіляти обов`язки, синтезувати результати діяльності групи); 3. Вміти презентувати результати своєї роботи; 4.Усвідомити сучасну наукову картину світу; 5. Навчитися мультимедійній і мережевій комунікації в різних формах; 6. Навчитися знаходити, аналізувати, управляти, інтегрувати, оцінювати та створювати інформацію в різних формах та різними способами. 7. Навчитися етично та толерантно себе поводити.
Результати дослідження
Зміст
Із часів Резерфорда фізика мікросвіту використовує один метод: зіштовхнути дві частинки і подивитися, що відбувається в результаті. Для вивчення атомного ядра необхідна енергія порядку мільйонів електронвольт (МеВ), кварків – мільярдів електронвольт (ГеВ). Більшість з них швидко розпадаються, але за результатами розпаду можна зрозуміти, що відбулося та перевірити теоретичні гіпотези. Саме для цього будуються прискорювачи частинок (циклотрони, сінхротрони, теватрони, колайдери тощо), яки розгоняють їх практично до швидкості світла (300 000 км/с) та детектори, завдання яких фіксувати результати зіткнень. Фінансування таких проектів не може здійснити самостійно ні одна країна світу.
Ідея заснування міжнародної організації для здійснення наукових досліджень належить французькому фізику Луї де Бройлю. У 1949 році на Європейській конференції з культури він запропонував створити Європейський центр ядерних досліджень (CERN) .
Офіційним днем народження CERN вважається 29 вересня 1954 року, коли 12 країн-учасниць ратифікували угоду про її заснування. Фінансування здійснювали 20 країн, спостерігачами були 6 країн та 2 організації, у тому числі ЮНЕСКО.
Тепер переглянемо коротку хронологію подій у CERNі. •У 1952 році було вибрано місце для побудови ВАК – територію біля околиць Женеви, на кордоні Франції та Швейцарії. Наступного року жителі кантону Женева дали згоду на побудову на референдумі (16539 проти 7332). •1954 рік став офіційним роком початку будівництва. •У 1957-1959 роках – запущені синхроциклотрон SC з енергією 600 МеВ і протонного синхротрона PS, 28 ГеВ. •У 1968 році була створена багатодротяна пропорційна камера, ефективний детектор. За її створення Георгій Шарпак, вчений українського походження, отримав Нобелівську премію з фізики. •У 1989 році запущений коллайдер LEP, довжина кільця якого 27 км, був зупинений в 2000 році для переобладння в LHC. •2000 рік – вперше спостерігалися ознаки утворення кварк-глюонной плазми. •10 вересня 2008 року – відбувся запуск LHC – пучок частинок з енергією 450 гігаелектрон-вольт проведено по всьому кільцю колайдера. •30 березня 2010 року у Великому адронному колайдері вперше успішно здійснено зіткнення протонів, що рухалися зі швидкістю, наближеною до швидкості світла.
Результати зіткнень фіксуються детекторами. Час простих пристроїв, за допомогою яких фізики спостерігали за треками елементарних частинок вже пройшов. Фотопластини з треками частинок космічного випромінювання гості ЦЕРНа іноді отримують у подарунок. Бульбашкова камера вже досить тривалий час знаходиться на території ЦЕРНу в якості музейного експонату.
Сучасні детектори – це суперскладні прилади. На ВАК встановлено 6 детекторів, розміщених у міжсекційних блоках.
ATLAS – один з двох детекторів з широкою сферою функціонування з метою нових відкриттів та відповідей на старі питання. CMS (Компактний мюонний соленоїд) — детектор з широкою сферою функціонування, котрий «полює» на бозони Хіггса і шукає природу походження темної матерії. ALICE (Великий іонний колайдер) – вивчатиме «рідинну» форму існування матерії, відому як кварк-глюонна плазма, короткий проміжок існування якої виникає відразу ж після Великого Вибуху. LHCb – вивчатиме рівну кількість матерії та антиматерії, яка вивільняється після Великого вибуху. Намагатиметься дати відповідь на питання: „Що сталося зі «зниклою» антиматерією?“
Найважливіші відкриття, зроблені у CERN
1. Нобелівська премія з фізики за 1984 році була вручена Карлу Руббіа і Симону ван дер Меру за їх ключову роль у відкритті в експериментах на SPS частинок-переносників слабкої взаємодії — W і Z бозонів. Це відкриття, яке підтвердило теорію електрослабкої симетрії Глешоу-Вайнберга-Салама (1967 рік), стало можливим завдяки тому, що в 1981 році SPS перетворився з протонного прискорювача в протон-антипротонний колайдер. 2. У березні 1989 року співробітник ЦЕРНу Тім Бернерс-Лі запропонував нову гіпертекстову систему обробки інформації, з якої потім виріс WWW (World Wide Web) (Інтернет). 3. 2 травня 2011 — фізикам CERNу вдалося утримати декілька тисяч атомів антиречовини (антиводню) упродовж 1000 секунд в спеціальній магнітній пастці при температурі нижче 0,5 K. 4.22 вересня 2011 — Дослідницький центр CERN заявив про те, що в ході експерименту OPERA були виявлені нейтрино, які прибули до детектора у Gran Sasso швидше, ніж коли б рухалися зі швидкістю світла. Однозначного трактування отриманих результатів немає й сьогодні.
Основны завдання LHC
1. Виявити бозони Хіггса: підтвердити прогнози та «недостатні зв'язки» в стандартній моделі фізики, пояснити, в який спосіб інші елементарні частинки отримують такі властивості, як маса. 2. Зімітувати стан Всесвіту через мільярдну частку секунди після Великого вибуху. 3. Отримати антиматерію.
Співпраця України з ЦЕРНом
Історія співпраці України з ЦЕРНом розпочалася за рік до остаточного затвердження ідеї про будівництво ВАК. У 1993 році комітет науки і техніки при Кабміні, який тоді очолював Сергій Рябченко, підписав з європейською науковою організацією угоду про асоційовану участь України у роботах ЦЕРНу на 10 років уперед. Це дало змогу українським вченим долучитися до створення ВАК. Українці включилися у роботи зі створення окремих частин колайдера із самого їх початку, працюючи над спорудженням детекторів CMS, LHCb та ALICE. Ці детекторні установки, як і сам тунель прискорювача, розташовані під землею. Кожна з них важить десятки тисяч тонн і займає місце як одна величезна споруда, завбільшки, приміром, з Верховну Раду. Для установки CMS, збудованій для вивчення протон-протонних зіткнень і пошуку бозона Хіггса, харківський НТК Інститут монокристалів створив 22 тисячі тайлів – різного розміру детекторів з радіаційно стійкої пластмаси. Технологія виготовлення пластикових детекторів, створена харківськими фізиками, є унікальною. Відповідні матеріали успішно пройшли випробування за умов сильної радіації у Чорнобилі. Інститут монокристалів створював детекторні елементи й для установки LHCb, призначеної для аналізу подій, що порушують сучасні уявлення про світ, зокрема закон збереження енергії й ін. Тут українські науковці відповідали за створення системи радіаційного моніторингу. Й тут була вперше застосована ще одна унікальна розробка – металеві фольгові детектори, створені вченими Інституту ядерних досліджень НАНУ в Києві разом з німецьким Інститутом ядерної фізики Макса Планка. Система визначення радіаційної обстановки навколо детектора є одним з найважливіших його елементів, оскільки досліди проходитимуть за умов дуже високого рівня радіації, еквівалентного наслідкам вибуху 100-мегатонної ядерної бомби. І важливо, щоб радіаційний фон не вплинув на чистоту роботи детекторної техніки. Ще одна унікальна українська розробка – технологія створення мікрокабелів на гнучкій лавсановій основі, які працюють за високого радіаційного навантаження, – була використана у детекторі ALICE. Він шукатиме нову форму ядерної матерії – кварк-глюонну плазму – після зіткнень іонів свинцю чи золота. У створенні мікрокабелів брали участь київський Інститут мікроприладів і харківський Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування. Загалом за 14 років у будівництві ВАК, було задіяно близько 130 українських вчених з 9 наукових підрозділів. Це, зокрема, ННЦ ХФТІ, НТК Інститут монокристалів (Харків), Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування (Харків), Інститут теоретичної фізики (Київ), Інститут ядерних досліджень (Київ), Київський національний університет ім. Тараса Шевченка і Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна. Всі свої зобов’язання перед ЦЕРНом українські вчені повністю виконали. Загальний внесок України було оцінено в $1,5 млн.
Висновки
1. Наукове знання обмежень не мае, кожна наступна теорія включає в себе попередню. 2. У побудові Всесвіту є певна логіка, закономірності. Їх можна пізнавати. 3. Повністю вирішені завдання у ЦЕРНі: підтверджена електрослабка симетрія (W і Z бозони). Частково вирішені завдання у ЦЕРНі: отримана антиматерія (антиводень). Вирішуються: а) Виявити бозони Хіггса: підтвердити прогнози та «недостатні зв'язки» в стандартній моделі фізики, пояснити, в який спосіб інші елементарні частинки отримують такі властивості, як маса. Імітація стану Всесвіту через мільярдну частку секунди після Великого вибуху ілюстрація. Обчислити швидкість нейтріно.
