Совеременные открытия в науке и технике и применение их в школьном курсе физики

Новые научно — технические открытия 21 века

По мере углубления в недра структуры окружающей нас материи мысленному взору человека открываются все новые тайны и ранее неизвестные явления. Иные тайны уже разгаданы, но множество других еще остается загадкой для человечества. Очередной шаг к их познанию, возможно, будет сделан с помощью Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider — LHC), сооруженного в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований объединенными усилиями международного сообщества ученых и инженеров. Комплекс Большого адронного коллайдера — это поистине масштабное воплощение в реальность самой передовой научной и инженерной мысли.

В экспериментах на Большом адронном коллайдере предполагается продолжить исследования фундаментальных симметрий в мире элементарных частиц.

Большой адронный коллайдер был задуман создателями как современный мощный физический прибор, позволяющий дать ответы на многие вопросы, поставленные физикой частиц. Эксперименты, для которых он предназначается, нацелены в том числе на поиск бозона Хиггса и суперсимметричных партнеров — свидетельств существования темной материи и темной энергии, а также справедливости Стандартной модели; на исследование кварк-глюонной плазмы.

История Большого адронного коллайдера ведет начало с октября 1990 г., когда на совещании в Аахене (Германия) руководители Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), в то время — К. Руббиа и Дж. Брианти, высказали предложение соорудить в 27-километровом тоннеле действовавшего тогда электрон-позитронного коллайдера ЦЕРНа протон-протонный ускоритель с энергией 16 ТэВ и светимостью 1034 см?2 с?1.

Основой ускорителя должен был стать дипольный магнит, разработанный по типу «два в одном» (встречные пучки протонов удерживаются на орбите с помощью одного магнита с двумя апертурами). Магнит был рассчитан на температуру 1,8 К (-271,20С) и должен был обеспечивать магнитное поле 10 Тл. В 1994 г. совет ЦЕРНа утвердил этот проект под названием «Большой адронный коллайдер» с несколько измененными параметрами: магнитное поле — 8,33 Тл, полная энергия в системе центра масс — 14 ТэВ (энергия каждого из ускоренных пучков — 7 ТэВ).

Сразу после утверждения проекта в рамках межправительственных соглашений, заключенных ЦЕРНом со многими странами, включая Россию, США, Японию, Индию, Китай, ряд государств бывшего Советского Союза, началось совместное сооружение Большого адронного коллайдера на территории и под эгидой Европейского центра ядерных исследований со штаб-квартирой в Женеве. Около 20% вклада в стоимость коллайдера и детекторов пришлись на долю стран, не являющихся членами ЦЕРНа, в первую очередь на Россию, США и Японию Можакова Т. Ю. Использование технологий развивающего обучения в школьном курсе физики, 2012 г. // режим доступа http://nsportal.ru/shkola/obshchepedagogicheskie-tekhnologii/library/ispolzovanie-tehnologiy-razvivayushchego.

Заметим, что в реализации проекта Большого адронного коллайдера отражаются характерные особенности современной физики частиц. Эта область естествознания в наши дни, как никогда ранее, имеет ярко выраженный интернациональный характер, поскольку интегрирует национальные программы развитых стран мира. Ведь критическая проверка предсказаний существующих теорий, поиск и открытие новых фундаментальных частиц и закономерностей на недостижимом ранее уровне проникновения в глубь материи требуют предельно возможных ныне значений энергии, чувствительности приборов, колоссальных объемов экспериментальных данных и скорости их обработки в режиме реального времени.

Решение столь сложных задач по плечу лишь большим международным коллаборациям ученых, специалистов вомногих областях науки и техники, обладающим значительными интеллектуальными и материальными ресурсами и современными промышленными технологиями. Большой адронный коллайдер — это 27-километровое кольцо, пробитое на 100-метровой глубине в толще горных пород.

Между двумя горными массивами — Юрскими горами и Альпами — под территорией Швейцарии и Франции расположился Большой адронный коллайдер 51 цепь ускорителей, где последовательно разгоняются частицы до скорости, близкой к скорости света. В кольце подземного тоннеля они достигают 11 тыс. оборотов в секунду. Удерживают частицы встречных пучков двухапертурные сверхпроводящие магниты ускорителя — коллайдера. Каждый сверхпроводящий диполь — один из элементов системы сверхпроводящих магнитов — весит около 25 т и имеет длину 15 м. Он может работать только при сверхнизкой температуре в 1,8 К, для чего охлаждается жидким сверхтекучим гелием. Включаясь в работу, такой сверхпроводящий магнит создает поле величиной более 8 Тл. А всего диполей в системе магнитов коллайдера 1236. Эту систему дополняют еще 860 квадруполей и более 6 тыс. корректирующих магнитов. Очень важную часть комплекса составляют четыре детектора — огромные и сложнейшие сооружения, позволяющие анализировать образующиеся в результате столкновений потоки частиц. Большинство экспериментов по физике частиц теперь выполняется на ускорителях частиц высоких энергий, в том числе на ускорителях со встречными пучками частиц, которые и называются коллайдерами. Энергия каждого из пучков частиц может достигать огромной величины, несколько тераэлектронвольт. Вся эта энергия во время столкновения концентрируется в микроскопическом объеме, что приводит к гигантским ее плотностям и множественному рождению частиц, среди которых могут появиться и новые, ранее еще неизвестные. При подобных огромных плотностях энергии воссоздаются (в малом объеме, конечно) условия для протекания процессов, которые невозможны сейчас на Земле, но в изобилии могли случаться во Вселенной на ранних стадиях ее возникновения. Для регистрации сигналов от физических процессов (реакций), протекающих во время столкновения частиц, используются сложнейшие детекторы. Современные экспериментальные установки представляют собой комбинацию нескольких детекторов и достигают индустриальных масштабов — размеров в десятки метров и веса в тысячи тонн. Потоки информации, поступающей в непрерывном режиме с детекторов, огромны. В экспериментах на ускорителях работают большие коллективы физиков и инженеров из разных стран. Этого требует уникальный характер физических установок, которых зачастую насчитывается одна-две на весь мир. Эксперименты на таких установках продолжаются долго, чтобы в максимальной степени использовать их потенциал. Поэтому сам характер работы в современной физике частиц сопряжен с широким международным сотрудничеством Роль науки в образовании, научный журнал Биофайл // режим доступа http://biofile.ru/his/13 503.html.

Для проведения экспериментов на Большом адронном коллайдере международными коллективами физиков были созданы четыре уникальные экспериментальные установки — детекторы частиц ATLAS (A Toroidal Large hadron collider Apparatus), ALICE (A Large Ion Collider Experiment), CMS (Compact Muon Solenoid) и LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment). В научных коллаборациях, объединившихся для работы на этих детекторах, участвуют ученые и инженеры из полутора сотен институтов более чем 30 стран мира. Солиден не только вес и размер самих конструкций установок, измеряемый в тоннах и метрах, но и научно-техническое наполнение их современными детектирующими элементами. Как известно, в одном столкновении двух сгустков протонов происходят десятки событий, а в каждом событии рождаются тысячи частиц. Экспериментальные установки должны быть способны зафиксировать «портрет» события, определив траектории частиц, их типы, заряды, энергию. В нормальном режиме работы всех четырех установок Большого адронного коллайдера поток информации столь огромен, что собрать и переработать такой объем информации невозможно обычными средствами. Представляется практически нереальным В. А. Матвеев, А. Н. Сисакян, А. Н. Скринский производить запись первичной экспериментальной информации, полученной, например, за один год работы ускорителя, на компакт-диски. Для обработки данных детекторов Большого адронного коллайдера создана глобальная международная вычислительная сеть на основе передовых GRID-технологий.

На всех уровнях руководящих органов ЦЕРНа постоянно подчеркивается, что вклад ученых и специалистов, институтов и предприятий России, а также некоторых республик постсоветского пространства в разработку и реализацию проекта Большого адронного коллайдера исключительно велик. Это касается не только материально-технического обеспечения ряда ключевых позиций, но также использования передовых идей и достижений в физике и технике ускорителей. Неслучайно две улицы ЦЕРНа носят имена российских ученых, внесших основополагающий вклад в мировую ускорительную науку, — академиков В. И. Векслера и Г. И. Будкера. К счастью для физики, накопленный в СССР технологический и интеллектуальный потенциал, несмотря на трудные годы политических и экономических преобразований, в значительной степени сохранился в России и других странах — бывших республиках Советского Союза. И это одна из важных предпосылок эффективного научного и технического вклада физиков России, стран — членов Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в проект Большого адронного коллайдера Ellis J. The superstring: theory of everything, or of nothing? // Nature. 1986.Vol. 323. P. 595.

Ведущие научные центры России — Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СОРАН, Институт ядерных исследований РАН, Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова РАН, Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, Институт физики высоких энергий, РНЦ «Курчатовский институт», Институт теоретической и экспериментальной физики, РФЯЦ «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики», РФЯЦ «Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики», Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына, МГУ, Объединенный институт ядерных исследований (координирующий деятельность ученых и специалистов из 18 стран — участниц ОИЯИ) — эффективно включились в реализацию проекта — как в сооружение самого ускорителя, так и в создание экспериментальных установок, дополняющих друг друга и в отношении решаемых задач, и в использовании экспериментальных методик и технологий.

Реализация проекта «Большой адронный коллайдер» пришлась на самые трудные для российской экономики времена. Тем не менее, благодаря устремлениям российских физиков и усилиям Миннауки России, по распоряжению Правительства Российской Федерации 24 июня 1996 г. был подписан протокол об участии в этом проекте — приоритетном и глобальном научном проекте на рубеже XX и XXI вв. С 1997 по 2007 гг. российские научно-производственные центры выполнили огромный объем работ по созданию и изготовлению необходимого оборудования для ускорителя и четырех экспериментальных установок-детекторов ATLAS, CMS, ALICE и LHCb Skrinsky A. INP Studies for Tau/Charm Factory // SLAC Proceedings. 1994. № 451.

Научные центры России и стран — участниц ОИЯИ с самого начала активно участвуют в освоении и развитии GRID-технологий. Наращиваются компьютерные мощности и каналы связи, создана разветвленная структура, объединяющая компьютерные центры ЦЕРНа с вычислительными комплексами научных центров ведущих стран мира и обеспечивающая российским физикам доступ практически к неограниченным мировым компьютерным ресурсам. Таким образом, выстраивается система, которая позволяет получить полноценный, равноправный доступ к обработке гигантских массивов экспериментальных данных.

Перечислим основной вклад физических центров России в создание Большого адронного коллайдера. Специалисты Института ядерной физики СО РАН разработали, изготовили, установили в ЦЕРНе и наладили 360 диполей, 180 квадруполей для магнитов коллайдера, сверхвысоковакуумное оборудование, электронный охладитель тяжелых ионов и множество другой высокотехнологичной аппаратуры суммарным весом около 5000 т. В каналах перепуска Большого адронного коллайдера, созданных новосибирцами, пробный пучок дошел до нужной точки «с первого выстрела». Институт физики высоких энергий сдал «под ключ» 45 магнитов для системы инжекции пучка на Большом адронном коллайдере.

Специалисты Института ядерных исследований РАН и ОКБ им. В. М. Мясищева создали прецизионные кассеты из композитных материалов с уникальными механическими свойствами. По инициативе и при участии Петербургского института ядерной физики РАНЦНИИ «Электрон» изготовил радиационностойкие и нечувствительные к магнитному полю фотоприемники. Большую роль в сложившемся международном разделении труда сыграли промышленные предприятия России. Богородицкий завод технохимических изделий (Тульская обл.) изготовил сложные кристаллические детекторы из вольфрама та свинца для электромагнитного калориметра. Усилиями специалистов НПО «Машиностроитель» (г. Пермь) по инициативе Московского инженерно-физического института при участии Петербургского института ядерной физики РАН и ОИЯИ разработана технология изготовления опорных колец из углепластика для трекового детектора переходного излучения установки ATLAS. Сотрудники РНЦ «Курчатовский институт» активно участвовали в организации массового производства кристаллов вольфрамита свинца для детектора ALICE.54 В. А. Матвеев, А. Н. Сисакян, А. Н. Скринский.

Еще на этапе разработки концептуальных проектов установок ATLAS, CMS и ALICE сотрудники ОИЯИ внесли важный вклад в выбор технологий, изготовление и испытания прототипов детекторов. Ими созданы камеры мюонного спектрометра, жидкоаргонового и сцинтилляционного адронного калориметра для детектора ATLAS, изготовлены большой дипольный магнит, дрейфовые камеры детектора переходного излучения, фотонного спектрометра на основе кристаллов вольфрамита свинца для детектора ALICE. Детектор CMS благодаря работам, проведенным коллаборацией российских институтов и научных организаций в странах — участницах ОИЯИ, был оснащен торцевыми адронными калориметрами, катодными стриповыми камерами переднего мюонного спектрометра и предливневым детектором электромагнитного калориметра.

Физики и специалисты российских научных центров и Объединенного института ядерных исследований вместе со своими зарубежными коллегами трудятся над созданием новой экспериментальной базы в области физики элементарных частиц и тяжелых ионов в широком диапазоне энергий, а также изучением наноструктур нейтронными источниками. Это еще один пример тесного международного сотрудничества ученых, которое должно быть «обоюдоострым» и взаимовыгодным Sissakian A.N., Sorin AS., Toneev V.D. Search for a mixed quark-hadron phase of QCD matter at the JINR Nuclotron // Phys. Part. Nucl. 2008. Vol. 39. P. 1062.

Еще одно не маловажное открытие направленное на рекордную длительность хранения энергии аккумуляторов. Опережающей все мировые показатели, удалось добиться ученым Национальной ускорительной лаборатории SLAC совместно с коллегами из Стенфордского университета. Достичь подобных результатов помогла особая конструкция электрода, напоминающая желток яйца. Как известно, на сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы способны сохранять около 80 процентов первоначальной емкости после 500 циклов заряд/заряд. А новая технология на основе серы обеспечивает высокую эффективность аккумулятора и после 1000 подобных циклов.

Более того, новый катод может вмещать объем энергии, в 5 раз превышающий объемы хранения самых лучших современных коммерческих литий-ионных аккумуляторов. С появлением данной технологии открываются новые возможности в создании батарей нового поколения, которые станут более легкими, емкими и долговечными и найдут применение в электрических транспортных средствах, портативной электронике и во многих других технических разработках. До настоящего времени ученым было известно о способности серы к хранению большого количества ионов лития, и как следствие, большего объема энергии. Но возникали две проблемы при практическом использовании серы в аккумуляторах: при поглощении ионов лития электродом в процессе зарядки происходило их слияние с атомами серы, и создавались промежуточные соединения, ограничивающие емкость аккумулятора, и вторая проблема заключалась в растрескивании любых защитных покрытий электрода и сокращении срока службы аккумулятора вследствие притока ионов, который приводил к увеличению объема катода на 80%.

Решение новой технологии заключается в создании катода на основе наночастиц диаметром 800 нанометров. Таким образом получается крошечная частица серы, окруженная твердой оболочкой, состоящей из пористого диоксида титана — некое подобие яичного желтка в яичной скорлупе. Между «скорлупой» и «желтком» остается полое пространство, позволяющее сере беспрепятственно расширяться. В процессе разрядки ионы лития, проходя через оболочку, связываются с серой, которая начинает расширяться и заполнять пустоту между «скорлупой» и «желтком», не разрушая твердую оболочку, а защищая серу от появления промежуточных соединений. Эксперименты с новым аккумулятором показали, что новая технология даже после 1000 циклов заряд/заряд позволяет сохранить 70% емкости, что и без оптимизации превышает аналогичные показатели самых продвинутых коммерческих аккумуляторов. Следующим шагом, направленным на совершенствование технологии станут эксперименты с добавлением других элементов в «скорлупу», в частности кремния.