13 мая 2007 г.

Адронные коллайдеры после LHC

В следующем году вступает в строй (на полную мощность) LHC. Большинство физиков сейчас потирает руки и предвкушает всякие разные данные с LHC, но отдельные дальновидные товарищи давно уже задаются вопросом: а что дальше?

В принципе, уже есть детальные планы на следующий ускоритель: линейный электрон-позитронный коллайдер с энергией в каждом пучке 0.5 ТэВ. Но линейный e+e- и адронный коллайдеры всё же имеют существенно разную программу исследований, поэтому уже сейчас хочется понять, можно ли будет построить протонный коллайдер с энергией больше, чем у LHC.

В Фермилабе сейчас проходит очередная встреча Fermilab Steering group, которая пытается понять, куда должна развиваться ускорительная физика в США в ближайшие годы. И один из докладов (High Energy Colliders, pdf, 1.1 Mb) был как раз посвящен планам на будущее, связанным с протонными коллайдерами сверхвысоких энергий.

Во-первых, описывается опция модернизации LHC с удвоением энергии (DLHC). Тут все просто: максимальная энергия LHC (7 ТэВ) ограничивается величиной магнитного поля в поворотных магнитах (8.33 Тесла). Никаких препятствий к дальнейшему ускорению протонов нет, но их просто нельзя будет удержать на орбите. Так что если магнитное поле увеличить вдвое, то соответственно возрастет и достижимая на LHC энергия пучков. Предполагается, что таких магнитных полей можно будет достичь с помощью нового магнита Nb3Sn, но потребуется еще с десяток лет, чтобы довести технологию до готовых ускорительных образцов.

Кстати, интересный пример взаимозависимости разных разделов физики: прогресс в материаловедении и физике конденсированных сред может привести к прорыву (открытию новых частиц?) в физике элементарных частиц.

Наверно, стоит пояснить, чем полезно увеличение энергии протонов.
Высокоэнергетический протон состоит из большого числа отдельных корпускул -- партонов. Когда сталкиваются два протона, то реально происходит столкновение двух партонов из встречных протонов. Число партонов вовсе не три, а значительно больше. Более того, число партонов с заданной энергией (скажем, 100 ГэВ) быстро растет с энергией родительского протона (от 7 ТэВ до 14 ТэВ). Поэтому увеличивая энергию протонов в пучке, мы не только можем рождать более тяжелые частицы, но и резко увеличиваем количество событий с умеренно тяжелыми частицами. Грубо говоря, если на LHC ожидалось, скажем, десять событий какого-то редкого типа, то в двойном LHC их будет уже несколько десятков.

Кроме удвоения энергии LHC сейчас рассматривается и возможность создание полностью нового коллайдера, условно называемого VLHC -- Very Large Hadron Collider. Идея состоит в следующем. Выкопаем полностью новый очень большой туннель, на это пойдет основная часть финансирования, а затем заполним его дешевыми и умеренно сильными магнитами.

Конкретный план предлагается такой. На террирории штата Иллиноис можно выкопать кольцевой туннель периметром 233 км и заставить его магнитами на 2 Тесла. При этом само устройство ускорителя, в частности, система охлаждения, а также его работа будет существенно дешевле, чем на LHC. Таким способом можно будет достичь энергии пучков 20 ТэВ, причем подчеркивается, что всё это возможно при уже существующих технологиях. Примерный план таков, что предварительный R&D может начаться около 2012 года, копание туннеля и монтаж -- около 2017 года, а в строй он вступит в районе 2024 года. К этому времени, LHC уже закончится, линейный электрон-позитронный коллайдер вероятно уже будет работать, а мюонный коллайдер еще нет.

Затем, если удастся получить магниты нужного качества (и стоимости) с магнитным полем выше 10 Тесла, в том же туннеле можно будет произвести модернизацию VLHC на энергию 100 ТэВ в пучке.

[Комментарии на Элементах]

12 мая 2007 г.

Пространство-время по Аристотелю и Галилею

Читая "The road to reality" Пенроуза наткнулся на очень интересное сравнение пространства-времени у Аристотеля и Галилея. Да, вот, оказывается и до Эйнштейна были интересные изменения в концепции пространства-времени :)

Не то, чтоб это совсем удивительная мысль, просто в таком ключе я никогда не думал. Вот, как известно, Аристотель считал, что "естественное" состояние вещей -- покой, а движение всегда вызывается какой-то внешней силой. Т.е. покою приписывается абсолютный смысл.

Сейчас мы умные, можем задать вопрос: покой относительно чего? Т.е. получается у Аристотеля есть выделенная система отсчета. Фактически, у Аристотеля есть понятие пространства как нечто "материальное", физически присутствующее, определяющее, что считается покоящимся, а что движущимся. Каждая точка аристотелева пространства-времени считается неподвижной, сохраняющей с течением времени свое положение.

Пенроуз сравнивает такое пространство с экраном, на который проецируют движущуюся картинку: не важно, какое действие на ней происходит, сами точки экрана сохраняют свою идентичность с течением времени.

Аристотелево пространство-время можно представить себе как стопку бумаги, насквозь натвердо проклеенную. Каждый слой бумаги есть пространство в данный момент времени, и с ходом времени мы перебираем слои один за другим. Переходя от одного момента времени к другому, мы видим неизменность пространства. У каждой точки пространства в одном слое есть соседние точки пространства в других слоях.

У Галилея пространство-время совсем не такое. Принцип галилеевой относительности утверждает, что невозможно ни в каком механическом эксперименте отличить прямолинейное равномерное движение от состояния покоя. Т.е. выделенная система отсчета исчезает, и вместе с ней неизбежно исчезает абсолютное, неизменное пространство. Т.е. если рассмотреть какую-то точку пространства в данный момент времени, то невозможно сказать, "где" эта точка пространства будет в следующий момент.

Пространство как нечто материально существующее исчезает. Можно сказать, что нет пространства, непрерывно живущего во времени. В каждый момент времени есть "свое" пространство, которое живет только в этот момент времени и тут же распадается. Спустя бесконечно малый промежуток времени перед нами уже другое пространство.

Представить такое пространство можно как стопку листов, которые никак не склеены, так что их можно произольно сдвигать друг относительно друга (линейные сдвиги есть просто переход в другую инерциальную систему отсчета), и при этом пространство останется все тем же пространством. Точки из разных слоев нельзя считать "соседними", потому что сдвинув слои, можно разнести их далеко. В математике есть удобный объект для обозначения: расслоение.

[Комментарии на Элементах]

11 мая 2007 г.

Времена и расстояния

Интересно, кто как сопоставляет для себя шкалу "типичных" времен и "типичных" расстояний? Вот например типичный короткий интервал времени в повседневной жизни человека -- это одна секунда. Какое примерно расстояние у вас ощущается столь же коротким, как и секунда? А какое расстояние вам кажется сопоставимым с одним часом?

[Комментарии на Элементах]