Эксперименты на коллайдерах

head_img

Моделирование процесса столкновения частиц, в результате которого рождается бозон Хиггса

Постичь законы природы, опираясь лишь на математику, логику или философию, было бы весьма заманчиво, однако многовековой опыт человечества показывает, что сила мысли позволяет разгадывать тайны, лишь имея солидную базу экспериментальных подсказок. Со времен Галилея ученые не стесняются искать эти подсказки, задавая вопросы природе («А что произойдет, если сделать так-то и так-то?») и не сомневаясь, что природа не слукавит и всегда даст честный ответ.

А дальше именно наша сообразительность — математика, логика и просто интуиция — позволяет истолковывать результаты эксперимента. Такой подход оказался исключительно продуктивным: со времен Возрождения естествознание, опираясь на эксперимент, развивалось и продолжает развиваться фантастическими темпами, принося огромные блага для всего человечества.

И все же точка в наших исследованиях природы еще не поставлена. Мы знаем много, но далеко не все о том, как устроен мир. Уже более 40 лет в физике микромира главенствует так называемая Стандартная модель — теория, позволяющая точно описывать физические явления на малых расстояниях (до одной тысячной размера протона). Сегодня физики убеждены, что Стандартная модель, оставаясь правильной теорией для своего диапазона расстояний, не сможет работать на меньших расстояниях. Что произойдет дальше (вернее, ближе), не знает никто, существует лишь множество догадок, как модифицировать теорию, чтобы она продолжила работать.

Более 70 лет основную информацию о законах природы физики получают из ускорительных экспериментов. Во многом эти эксперименты напоминают микроскопы, позволяющие разглядеть мелкие детали, недоступные нашему глазу. Каждый раз, когда удается улучшить разрешение микроскопа, открываются новые явления. Вспомним, как три с половиной столетия назад Роберт Гук с помощью усовершенствованного им микроскопа впервые увидел клетки в срезе пробкового дерева, а спустя несколько десятилетий Антони Левенгук, улучшив увеличение микроскопа еще почти в десять раз, открыл одноклеточные организмы, эритроциты крови и многое другое.

Оптические микроскопы имеют предел разрешающей способности: мельче какого-то расстояния (примерно размер атома) изображение начинает размываться, и ничего с этим поделать нельзя. Картинка станет четче, если перейти из оптического диапазона к меньшей длине волны фотонов, то есть к большей энергии. Чтобы, к примеру, разглядеть структуру атома, нужны на много порядков более энергичные, чем оптические, фотоны. Вот только где их взять? Оказывается, вместо фотонов можно использовать заряженные частицы. Чтобы увидеть атомное ядро, Эрнест Резерфорд использовал альфа-частицы (ионы гелия) от ядерных распадов — в то время ускорителей еще не было. Энергия альфа-частиц составляет несколько мегаэлектронвольтов, в то время как энергия оптического фотона всего около 1 электронвольта. Спустя 50 лет с помощью электронов, разогнанных уже в ускорителе до энергии в несколько десятков гигаэлектронвольтов (миллиард электронвольт), удалось рассмотреть кварки внутри протона.

В современных ускорителях пучки частиц — протонов, электронов или их античастиц — с помощью электрического поля ускоряют до колоссальных энергий, с помощью магнитного поля пучками управляют (поворачивают и фокусируют), а затем сталкивают в определенной точке. По своей технической сложности и насыщенности передовыми технологиями исследовательские ускорители превосходят космические корабли. Судите сами: провести частицу, летящую почти со скоростью света, по многокилометровому кольцу надо с микронной точностью, а задача усложняется тем, что в пучке таких частиц миллиарды, они начинают друг на друга влиять. Не будучи специалистом в ускорительной технике, скажу, что я снимаю шляпу перед теми, кто умеет разрабатывать и строить эти фантастические приборы. Место столкновения окружают сверхчувствительные детекторы, регистрирующие все, что происходит. Это «все» представляет собой множество частиц, рожденных в столкновении, а чтобы восстановить картину по измерениям в детекторе, требуется немалый труд — и талант! — экспериментаторов. 

Что происходит во время ускорительных экспериментов?

Как ни странно прозвучит мой ответ, но в этих экспериментах, обошедшихся налогоплательщикам в немалые деньги, не происходит почти ничего такого, чего не происходило бы во Вселенной и без нашего участия. Скажем, в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН, стоившем более 6 миллиардов долларов, сталкивают протоны с энергией почти 10 тераэлектронвольт (триллион электронвольт). Но протоны гораздо большей энергии производятся самой природой и неизбежно сталкиваются с протонами вещества, а энергия в системе центра масс таких природных столкновений может достигать значений даже больших, чем достигнутые на БАК. Поэтому не следует опасаться, что в результате ускорительных экспериментов произойдет что-то ужасное: если бы глобальные катаклизмы могли произойти из-за неосторожного обращения с энергичными протонами, они бы сплошь и рядом случались во Вселенной. И хиггсовский бозон, открытый на БАК, многократно рождался в нашей Вселенной, однако без построенного ускорителя и детекторов мы не были в этом уверены и тем более не могли определить его свойства. Прелесть ускорительных экспериментов в том, что наблюдатель заранее знает, где и когда может произойти что-то интересное, и «подставляет» туда свой глаз-детектор.

Что было открыто на ускорителях?

Хотя в основу создания Стандартной модели легли по большей мере результаты доускорительных экспериментов, ее изучение проводилось в основном на ускорителях. Стандартная модель — это скорее не теория, а каркас, в который можно вставлять разные элементы. Угадать, сколько этих элементов создала природа и какими они получились, без эксперимента непросто. Именно благодаря экспериментам на ускорителях физики узнали, сколько существует поколений кварков и лептонов, каковы их массы, как они взаимодействуют с частицами полей и каковы свойства самих полей. За этим стояли десятки экспериментов и сотни открытий на них! Наконец, последняя недостающая в Стандартной модели и давно ожидаемая частица — бозон Хиггса — была найдена в 2012 году в экспериментах CMS и Atlas на Большом адронном коллайдере. Это громкое открытие позволило узнать последний свободный параметр Стандартной модели — константу самодействия хиггсовского поля, определяющую степень «любви» этого поля к самому себе.

В ускорительных экспериментах была обнаружена и к настоящему времени детально изучена структура протона. Составную природу протона открыли в конце 60-х годов прошлого века на линейном ускорителе в Стэнфорде. А чтобы заглянуть внутрь протона максимально глубоко и выяснить, что его структура намного сложнее, чем набор из трех кварков, специально был построен ускоритель HERA в Германии. Окончательные результаты экспериментов на этом ускорителе представлены в 2015 году, они дают наиболее точную картину протона, важную для понимания фундаментальных свойств материи.

Какие будущие исследования и открытия стоит ждать от коллайдеров в будущем?

На ускорителях изучают, какие законы физики работают на микроскопических расстояниях, структуру известных элементарных (элементарных ли?) частиц и структуру… вакуума. Как это ни кажется парадоксальным, но самым загадочным объектом в современной теории остается вакуум. С открытием квантовой механики ученые осознали, что вакуум не мертвая пустота — напротив, в нем кипит бурная жизнь. А Стандартная модель продемонстрировала, что жизнь эта кипит в специальной среде — хиггсовском конденсате.

Помните, в старом советском фильме «Маленькие зверушки Антони ван Левенгука» с Александром Калягиным в главной роли дочь Левенгука, обращаясь к отцу, восклицает: «И зачем все это нужно?.. Не понимаю, что можно искать в чистой дождевой воде? Ну что может быть в воде кроме воды?» А ученый, десятилетиями оттачивающий свое искусство шлифовки линз, находит в дождевой капле неведомый доселе целый мир микроскопических зверушек, живущих своей жизнью и мало заботящихся о нашем существовании. Так и современные ученые надеются обнаружить новый «зверинец» в дополнение к уже известному «зоопарку» элементарных частиц. Каким он будет, мы, возможно, скоро узнаем: в этом году БАК начал набирать данные на существенно большей новой энергии пучков, через год заработает супер-В-фабрика (коллайдер сверхвысокой светимости для рождения и изучения В-мезонов), а в планах ближайшего десятилетия — строительство и запуск Международного линейного коллайдера.

Какие задачи позволяют решать ускорители?

Помимо решения задач фундаментальной науки, сегодня ускорители используются во многих областях промышленности и медицины. Промышленные ускорители не столь дороги, как исследовательские: они меньше, а главное, в них заложены уже проверенные на исследовательских ускорителях технологии. Ускорители как источники быстрых нейтронов и ионов часто используют для определения радиационной стойкости материалов, предназначенных для работы в условиях облучения, — конструкционных материалов ядерных реакторов или космических кораблей. А в полупроводниковых технологиях образование радиационных дефектов является полезным свойством: в этой области ускорители используются для ионной имплантации в поверхность полупроводника для создания зон примесной электропроводимости. На ускорителях получают радионуклиды и радиофармпрепараты для медицины, трековые мембраны для химической и пищевой промышленности и развития биотехнологий. Ускорители используют и в совершенно прозаической области — для биологической дезактивации и химического преобразования промышленных отходов. Но, наверное, самое широко известное и благородное применение ускорители нашли в медицине для лечения злокачественных опухолей, причем в некоторых случаях лучевая терапия остается практически единственным средством лечения.

Автор Павел Пахлов

Источник

На Марсе найдена органика

https://ftimes.ru/upkeep/uploads/2020/03/Mars.jpg

Была ли жизнь на Марсе?

Когда-то очень давно Марс мог быть настоящим раем для органической жизни: на его поверхности плескались моря, плотная атмосфера защищала планету от падения астероидов, а теплый климат способствовал развитию жизни. Так продолжалось недолго: в результате еще неизученной нами катастрофы, атмосфера планеты вдруг истончилась, магнитное поле погасло, а моря и океаны нашего космического соседа или испарились, или ушли глубоко под его поверхность. Все, что осталось со дня грандиозной катастрофы планетарного масштаба — ржавый песок, камни и разнообразные скалистые обломки — совсем не похоже на то, чем являлась четвертая планета в глубокой древности.

Надеясь найти остатки бактерий, возможно обитавших на Марсе до загадочного смертоносного события, ученые раз за разом отправляли в этот пустынный мир большое количество разнообразных миссий, однако попытки их поисков оставались долгое время тщетными. Или все-таки нет?

На Марсе обнаружены органические вещества

https://s.hi-news.ru/wp-content/uploads/2020/03/red_planet_one-750x530.jpg

Недавно обнаруженные на Марсе частицы могут оказаться следами древней жизни, когда-то обитавшей на планете

Кратер Гейл на Марсе — необычное место. Его диаметр составляет целых 154 километра, а стенки этого объекта покрыты осадочными породами, которые когда-то могли заполнять кратер полностью. Хотя природа этих отложений еще не до конца изучена, существует большая доля вероятности, что когда-то давно кратер являлся довольно большим озером, в чьих водах могла скрываться жизнь. Новый анализ органических молекул, обнаруженных в высохшей марсианской грязи кратера Гейла, в очередной раз показал, что описанная выше гипотеза может оказаться верной. Так, найденные в этом необычном месте частицы могут иметь биологическое происхождение.

Хотя наше понимание марсианских молекул ограничено и неполно, информация, которой мы уже располагаем, может быть совместима с жизнью, существовавшей на Красной планете миллиарды лет назад. Когда молекулы были извлечены марсоходом Curiosity из глинистого участка, называемого формацией Мюррея, их предварительный анализ показал наличие в них группы ароматических соединений, называемых тиофенами. На Земле эти соединения обычно встречаются в сырой нефти, состоящей из перегретых мертвых организмов, таких как зоопланктон и водоросли, а также в угле из мертвых растений. Считается, что подобное образование появляется абиотическим способом — то есть посредством физического процесса, например тогда, когда сера вступает в реакцию с органическими углеводородами при температурах выше 120 градусов Цельсия. Хотя данная реакция может возникнуть и без участия живых организмов, и углеводороды, и сера могут иметь биологическое происхождение. Для того, чтобы выявить происхождение обнаруженного вещества, ученые из Вашингтонского государственного университета решили использовать метод пиролиза для анализа обнаруженных тиофенов.

https://rs.img.com.ua/crop?v2=1&w=600&h=0&url=%2F%2Fbm.img.com.ua%2Fberlin%2Fstorage%2Forig%2Fe%2Fdf%2Fe95f8fbe62b95fcdae1632ee4cf21dfe.jpg

Существует несколько способов, благодаря которым тиофены могли появиться на Марсе без необходимости присутствия жизни. Так, они могли возникнуть при вулканической активности или некоторых других геологических процессов, способных производить тепло. Кроме того, частицы были обнаружены нами ранее и в космических странниках — метеоритах. Однако в марсианских тиофенах есть кое-что очень интересное: все описанные выше геологические процессы требуют, чтобы сера была нуклеофильной, т.е.способной отдавать электроны своему партнеру по реакции. Вместе с тем, большая часть серы на Марсе существует в виде ненуклеофильных сульфатов, которые чаще всего появляются при биологическом вмешательстве.

Так что вполне возможно, что когда-то очень давно, задолго до появления на Земле человечества и даже динозавров, Марс мог похвастаться существованием бактериальных колоний, производивших тиофены. Затем, когда Марс высох, тиофены окаменели, но были найдены нами спустя несколько миллиардов лет.

https://cdn.pixabay.com/photo/2012/01/09/10/17/mars-11604_960_720.jpg

Для того, чтобы проверить данные, полученные марсоходом “Кьюриосити”, Роскосмос и Европейское космическое агентство планируют отправить на Красную планету новый ровер «Розалинд Франклин», запуск которого намечен на июль 2020 года. Известно, что устройство будет иметь на борту высокочувствительный прибор, способный к обнаружению и анализу любых тиофенов. Если данные марсохода подтвердят ранее полученную нами информацию, научный мир может ожидать настоящая революция по поиску прошлой или настоящей жизни на других планетах Солнечной системы.

Источник

Лучшие детские песни. Бу-ра-ти-но! Вместе весело шагать; Большой секpет для маленькой компании

Загружается...

Картина дня

))}
Loading...
наверх