Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Looking for Evidence Closer to Home: Using Particle Accelerators

Поиск доказательств ближе к дому: Использование ускорителей частиц

Хотя было бы славно, если бы природа преподнесла нам те результаты экспериментов, которые нам нужны, учёные никогда не довольствуются ожиданием счастливого случая, и потому продолжают проводить эксперименты на контролируемой ими аппаратуре.

Для физики элементарных частиц такие инструменты - это ускорители частиц.

Ускоритель заряженных частиц - устройство, использующее мощные магнитные поля для того, чтобы разгонять луч заряженных частиц до невероятно больших скоростей и затем сталкивать его с лучом частиц, движущихся в другом направлении.

Затем учёные могут анализировать результаты столкновения.

Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC)

Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) - это ускоритель частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке.

Он был запущен в 2000 г. после десятилетия проектирования и строительства.

Название RHIC возникло из того факта, что он ускоряет тяжёлые ионы - атомные ядра, лишённые своих электронов - до релятивистских скоростей (99.995 процентов от скорости света) и затем сталкивает их.

Из-за того, что частицами являются ядра атомов, столкновения дают большое количество энергии по сравнению с чистыми лучами протонов (хотя также требуется и больше времени и энергии, чтобы разогнать их до такой скорости).

Сталкивая друг с другом два ядра золота, физики могут получать температуру в 300 миллионов раз выше, чем на поверхности солнца.

Протоны и нейтроны, которые обычно составляют ядро золота, разрушаются при такой температуре в плазму из кварков и глюонов.

Эта кварк-глюонная плазма была предсказана квантовой хромодинамикой (КХД), однако проблема в следующем: предполагалось, что плазма будет вести себя подобно газу.

Вместо этого, её поведение схоже с жидкостью.

Согласно Леонарду Сасскинду, теория струн, возможно, может объяснить такое поведение при помощи разновидности гипотезы Малдасены (описанной в главе 11).

В таком случае кварк-глюонная плазма может быть описана посредством эквивалентной теории во вселенной с большим количеством измерений: в данном случае - это чёрная дыра!

Эти результаты далеки от заключительных, однако, пытаясь найти способы использования теории струн для придания большего смысла существующим физическим моделям (в данном случае КХД), теоретики изучают поведение таких столкновений, которое является мощным средством для усиления позиции теории струн.

Большой адронный коллайдер (БАК)

Большой адронный коллайдер (БАК) - это огромная машина, построенная под землёй в ЦЕРНе на границе Швейцарии и Франции.

(ЦЕРН - Европейский центр физики высоких энергий, который в 1968 г. стал местом рождения теории струн.)

Сам ускоритель достигает примерно 27 километров (17 миль) в окружности, как показано на рис. 12-3.

9300 магнитов этой установки способны ускорять протоны для столкновений с возможной энергией до 14 триллионов электрон-вольт (ТэВ), что далеко за пределами текущих экспериментальных ограничений.

Стоимость БАК на момент написания данной книги составляет примерно 9 миллиардов долларов.

Рисунок 12-3: Большой адронный коллайдер построен в кольцевом тоннеле около 17 миль в окружности.

10 сентября 2008 г. БАК был официально запущен, когда пучок лучей преодолел всю длину туннеля.

19 сентября выход из строя электрического контакта стал причиной пробоя вакуумной изоляции, в результате чего произошла утечка 6 тонн жидкого гелия.

Как было запланировано, ремонт (и модернизация для избежания таких проблем в будущем) займёт по крайней мере год.

В связи с этим, БАК всё же должен принести какие-либо существенные результаты экспериментов, но это, как ожидается, произойдёт где-то в следующим году.

Уровень энергии в 14 ТэВ даёт возможность получения некоторых предполагаемых экспериментальных результатов:

• Микроскопические чёрные дыры, которые могли бы подтвердить предположения о дополнительных измерениях

• Создание суперсимметричной частицы (счастицы)

• Экспериментальное поддтверждение бозона Хиггса, последней частицы Стандартной модели, остающейся не обнаруженной

• Доказательства наличия свёрнутых дополнительных измерений

Одним из самых значительных доказательств в пользу теории струн может на самом деле быть недостаток доказательств.

Если эксперименты в БАК зарегистрируют некую "недостающую энергию", пара возможностей может обеспечить поразительную поддержку теории струн.

• В первую очередь, при столкновениях могут образовываться новые частицы-суперпартнёры, составляющие тёмную материю, которая затем вытекает из установки без взаимодействия с обычной материей (подобной, например, самому детектору).

• Во вторых, недостающая энергия может возникать из энергии (или счастиц), которая фактически перемещается непосредственно в дополнительных измерениях, а не в нашем собственном четырёхмерном пространстве-времени.

Любая их этих находок стала бы большим открытием, и как суперсимметричные частицы, так и дополнительные измерения будут иметь серьёзное значение для теории струн.

Коллайдеры будущего

Ускорители частиц так огромны, что для них не существует типовых конструкторских решений; каждый ускоритель частиц имеет свой собственный прототип.

Следующим проектом, по-видимому, будет Международный линейный коллайдер (МЛК), являющийся электронно-позитронным коллайдером.

Одно из его преимуществ заключается в том, что столкновения электронов и позитронов, так как они являются фундаментальными частицами, а не составными, подобно протонам, представляют собой намного более чистые события.

Проект МЛК не был утверждён.

Предложения, включая место его расположения, будут выдвинуты на голосование примерно в 2012 г., и, если они будут одобрены, проект будет запущен в конце 2010-х гг.

По ранним оценкам, он обойдётся как минимум в 6.65 миллиардов долларов (исключая такие мелкие события, как покупка земли и другие подобные затраты).

Также возможно, что БАК будет последним из больших ускорителей частиц, так как могут быть разработаны новые предложенные технологии, которые позволят осуществлять ускорение частиц до больших скоростей без необходимости в массивным установках.

Один из таких проектов, предложенный в ЦЕРНе, - Компактный линейный коллайдер (КЛК).

КЛК мог бы использовать новый двухлучевой ускоритель, в котором один луч ускоряет второй.

Энергия от низкоэнергетического луча (однако с большим уровнем тока) в высокоэнергетическом (но с небольшим током) луче может сделать возможными ускорения вплоть до 5 ТэВ на намного более коротких дистанциях, чем в традиционных ускорителям.

Решение по КЛК может быть принято в 2010 г., а строительство, вероятно, будет завершено вскоре после 2020 г.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145417

Переводчики: ilves_ArtO