18.01.2020 10:47
Без обмежень
54 views
Rating 0 | 0 users
 © Поліанна М

Навіщо потрібні прискорювачі елементарних частинок

Прискорювач часток – це пристрій, який прискорює субатомні частинки до високих швидкостей, використовуючи електромагнітні поля. Він генерує пучок заряджених частинок, який використовується в численних дослідницьких цілях.

Історія прискорювача елементарних частинок сходить до 1930 року, коли вчені розробили трансформатор на 200 000 вольт і прискорювали протони по прямій траєкторії. Хоча машина не виконала своє призначення, вона почала пошуки прискорювачів частинок більш високої енергії, які тривають і донині.

У 20-му столітті прискорювачі часток були названі атомними руйнівниками. Назва зберігається, незважаючи на те, що сучасні прискорювачі створюють зіткнення між двома субатомними частинками, а не атомними ядрами.

Зіткнення таких частинок можуть допомогти вченим зрозуміти, як працює Всесвіт. Прискорювачі часток високих енергій надзвичайно корисні для фундаментальних і прикладних досліджень в різних областях, від електроніки і медицини до міжнародної безпеки.

Як працюють прискорювачі?

На базовому рівні прискорювачі часток генерують пучок заряджених частинок, який використовується для численних дослідницьких цілей. Зазвичай пучок складається з заряджених субатомних частинок (таких як протони й електрони), але в деяких випадках використовуються цілі атоми більш важких елементів (таких як уран і золото).

Наприклад, в кільцевих прискорювачах частинки безперервно прискорюються в круглій трубі. Напруженість електричного поля збільшується з кожним проходом, підвищуючи рівень енергії пучка частинок.

Коли частинки досягають необхідної швидкості, ціль (наприклад, тонкий шматок металевого листа) поміщається на їх шляху, де детектор частинок аналізує зіткнення.

В цілому, існує 6 ключових компонентів в прискорювачах елементарних частинок:

А) Частка S: забезпечує прискорення частинок (таких як електрони або протони). Один балон з газоподібним воднем, наприклад, може бути джерелом частинок. Один атом гідрогену містить один електрон і один протон.

Б) Металева труба: містить вакуум, в якому рухається пучок частинок. Вакуум підтримує чисте середовище для безперешкодного переміщення заряджених елементарних частинок.

C) Електромагніти: контролюють рух частинок, коли вони проходять через металеву трубу.

D) Електричні поля: регулярно переключаються з позитивного на негативний. Це генерує радіохвилі, які прискорюють заряджені частинки.

E) Цілі: коли частинки досягають бажаної швидкості, вони стикаються з нерухомою ціллю. Іноді стикаються два пучки часток.

F) Детектори: реєструють зіткнення частинок і виявляють радіацію або субатомні частки, які генеруються в процесі.

Найбільші прискорювачі часток в світі

В даний час в світі діють більше 30000 прискорювачів частинок. З них 44% використовуються для променевої терапії, 41% для іонної імплантації, 9% для промислової обробки і 4% для низькоенергетичних і біомедичних досліджень. Тільки 1% існуючих прискорювачів здатні генерувати енергії понад один мільярд електрон-вольт або 1 ГеВ.

В даний час Великий адронний колайдер (ВАК) є найпотужнішим прискорювачем частинок в світі. Він здатний прискорювати два пучки протонів до енергії 6, 5 тераелектрон-вольт. Коли ці два потужних пучка стикаються, вони створюють енергію центру мас 13 тераелектрон-вольт (ТеВ).

ВАК лежить в тунелі глибиною 175 метрів. Він має 27 кілометрів в окружності, і його кільце магнітів може створювати магнітне поле 8, 36 Тесла.

Колайдер містить понад 1000 дипольних магнітів, які утримують частинки, які рухаються майже зі швидкістю світла: одна частинка рухається по 27-кілометровому кільцю 11 000 разів в секунду. Розроблений Великий адронний колайдер Європейською організацією ядерних досліджень у співпраці з більш ніж 10000 дослідників і сотнями лабораторій та університетів з більш ніж 100 країн.

Частка бозона Хіггса, яку іноді називають «часткою Бога», була виявлена ​​в Великому адронному колайдері в 2012 році. У тому ж році фізики сформували кварк-глюонну плазму, яка могла досягати 5, 5 трильйона градусів за Цельсієм – найвищої температури, зареєстрованої рукотворної машиною.

У найближчі роки ця гігантська машина дозволить фізикам перевірити різні теорії фізики елементарних частинок, включаючи аналіз властивостей бозонів Хіггса, пошук нових елементарних частинок, пропонованих суперсиметричними теоріями, а також розв’язання інших загадок у всесвіті.

Також вже заплановано побудову нового прискорювача – Майбутнього кільцевого колайдера (ВКК), який буде ще потужнішим від ВАК. Запуск ВКК заплановано на 2040 р.

Застосування

Від промисловості до енергопостачання, від охорони здоров`я до безпеки – крім наукових досліджень, існує кілька областей, в яких технологія, пов`язана з прискоренням частинок, позитивно впливає на життя людей.

Застосування в медицині. Щорічно мільйони пацієнтів отримують діагностику і лікування на основі прискорювачів в клініках і лікарнях по всьому світу. Прискорені частки (такі як протони, електрони або більш важкі заряджені частинки) використовуються для знищення ракових клітин і створення детального зображення зсередини тіла.

Споживчі товари. Прискорювачі часток в даний час використовуються в різних промислових процесах, починаючи від зшивання пластмаси для термічної плівки і закінчуючи виробництвом комп`ютерних чіпів. Зокрема, прискорювачі іонних пучків використовуються для виготовлення електронних мікросхем і зміцнення поверхонь матеріалів, подібних до тих, які використовуються в штучних з’єднаннях.

Національна безпека. Прискорювачі грають важливу роль в управлінні запасами, перевірці вантажів і характеристиці матеріалів. Вони в основному використовуються для сканування контейнерів і предметів та допомагають ідентифікувати зброю та інші небезпечні матеріали.

Що ще вони можуть зробити?

Аналіз зіткнень частинок високих енергій може бути корисним для фундаментальних і прикладних досліджень в науці. Це може допомогти фізикам вирішити деякі фундаментальні проблеми в фізиці, включаючи глибоку структуру простору-часу і взаємозв`язок між загальною теорією відносності та квантовою механікою.

Ось чотири основні питання, на які вчені сподіваються відповісти протягом наступних кількох десятиліть:

  1. Чи існують додаткові виміри, передбачені моделями теорії струн?
  2. Яка природа темної матерії?
  3. Як виглядав ранній Всесвіт?
  4. Чому ми бачимо асиметрію між речовиною і антиречовиною у Всесвіті?

За словами Стівена Хокінга, технологія, заснована на прискорювачі частинок, є найближчою річчю до машини часу. У 2010 році він написав статтю, яка пояснює, як можна подорожувати в часі.

  • Якщо Вам сподобався чи був корисний цей текст і Ви хотіли б віддячити або фінансово підтримати дописувача Поліанна М за минулі чи майбутні зусилля, можете перерахувати довільну суму коштів, що Вас не обтяжує, за вказаними нижче реквізитами:
  • або просто не забудьте
  • Ми Вам дуже вдячні та наголошуємо, що кошти перераховуються безпосередньо автору публікації. Інтернет-проект "Проба Пера" жодної фінансової винагороди з переказу коштів не отримує.





Рекомендуємо також:

Шкільний реферат з фізики для учнів 10 класу на тему «Навіщо потрібні прискорювачі елементарних частинок». Бажаю отримати 12 балів за повідомлення та проєкт в цілому.



Обговорення

Візьміть участь в обговоренні

Ваше ім`я, псевдо або @: 
Закріплений коментар
Коментар відвідувача стає доступним для ознайомлення лише з дозволу Редактора

Публікації автора Поліанна М

Літературні авторські твори, вірші, проза, публіцистика та інше