24 апреля 2012 г.

Механическая модель коллайдера

Год назад, в рамках фестиваля «Весна науки», который ежегодно проходит в Льеже, мы с женой сконструировали механическую модель коллайдера элементарных частиц. Это очень простая модель, в которой катаются, сталкиваются и разлетаются металлические шарики. Но с помощью нее можно продемонстрировать с десяток физических явлений, которые происходят в реальных ускорителях и детекторах. Демонстрация модели школьникам шла на ура, они после объяснений сами лезли запускать шарики и регистрировать столкновения.

Сейчас у меня наконец-то дошли руки до того, чтоб снять ее в действии и рассказать, что интересного можно с помощью нее показывать.



Рис. 1. Общий вид механической модели коллайдера.
Наша механическая модель состоит из С-образной трубы из плексигласа, металлической вставки хитрой формы, двух желобов, которые через окошки ведут в трубу, и поддона с мелким песочком, который играет роль детектора. Если одновременно отпустить два шарика, то, скатившись по желобам и влетев в кольцо, они столкнутся в центре металлической секции, вылетят наружу, и прочертят следы в тонком слое песка.

Рис. 2. «Детекторная» часть модели.
Все эти явления — чисто механические, здесь нет ни электричества, ни магнетизма, ни какого-то виртуального моделирования столкновений. Несмотря на кажущуюся примитивность, эта модель подкупает своей «настоящестью». Все явления происходят на наших глазах, они осязаемы — и тем не менее они в кое в чем похожи на процессы в реальных коллайдерах элементарных частиц.

Вот видео, на котором всё это показано в действии. Файл довольно тяжелый, т.к. я загрузил видео в HD, и поэтому лучше смотреть на полном экране (вот прямая ссылка на youtube):



Сопроводительные пояснения (для сравнения см. устройство LHC и устройство типичного современного детектора).
  • Инжекция — в настоящих ускорителях частицы вначале предварительно разгоняют до небольших энергий и лишь потом их вспрыскивают (инжектируют) в основное ускорительное кольцо. 
  • Динамика частиц в ускорителе — циркулируя в кольцевом ускорителе, частицы постепенно теряют свою энергию, а также стремятся расплыться вдоль кольца. В реальных коллайдерах оба этих эффекта компенсирует ускорительная секция, которая отсутствует в этой механической модели.
  • Бетатронные колебания —  попав в ускоритель, частицы вовсе не ложатся на идеальную траекторию, а колеблются относительно нее в поперечной плоскости. Эти колебания необходимо держать под контролем, чтобы пучок не задел стенки вакуумной камеры. Впрочем, в электрон-позитронных коллайдерах бетатронные колебания с течением времени быстро затухают из-за излучения.
  • Столкновения частиц в настоящих коллайдерах происходит внутри детекторов. Вакуумная труба в этих местах очень узкая и тонкостенная, чтобы не мешать разлетаться столкнувшимся частицам. Эти частицы оставляют свои следы в нескольких слоя детектора, и по ним физики восстанавливают картину столкновения. В нашей модели шарики разлетаюся после столкновения, прочерчивая след («трек») на тонком слое песка. 
Рис. 3. Пример столкновения.
  • Характеристики треков позволяют кое-что узнать о самом столкновении. Направления треков указывают на точку, в которой оно произошло, а из длин треков можно извлечь энергии шариков — это очень похоже на то, как анализируются результаты настоящих столкновений элементарных частиц. У нас треки часто получаются не сплошные, а в виде отдельных «пикселей», что тоже очень похоже на ситуацию в реальных детекторах. И для пущего сходства треки иногда получаются не прямыми, а заметно закрученными (хотя причины для этого, конечно, разные).
  • Паразитные столкновения — и в реальном ускорителе, и в этой модели далеко не каждое столкновение регистрируется детектором. Если после столкновения частицы не приобрели достаточно большого поперечного импульса, то они «улетают в трубу», и детектор их не видит. При анализе реальных столкновений надо всегда помнить про эти процессы.
  • Угловое распределение — даже если бы начальные состояния реальных сталкивающихся частиц были точно известны, результат каждого конкретного столкновения предсказать нельзя, это одно из ключевых свойств квантовой механики. Поэтому физики не довольствуются одним столкновением, а повторяют его множество раз и смотрят получившиеся распределения результатов. В нашем случае, это иллюстрируется угловым распределением при повторных столкновениях.
  • Сгустки частиц — вероятность столкновения в одной пары частиц в реальных ускорителях ничтожно мала. Поэтому там в каждом направлении циркулирует не одна частица, а целый сгусток из миллиардов частиц. 
  • Эффект нагромождения (pile-up) — когда количество частиц в сгустке достаточно велико, при одном столкновении сгустков может произойти сразу несколько независимым столкновений частиц. Результаты столкновения нагромождаются в детекторе друг на друга, и из анализ становится непростой задачей. Здесь можно заметить, что направления треков четко указывают на то, что произошло несколько столкновений в разных точках.
Рис. 4. Пример столкновения «сгустков» из нескольких шариков.
  • «Мертвое время» детектора — детектору всегда требуется некоторое время на то, чтобы «считать» треки, передать данные в компьютер и очистить детектор. Во время этого процесса детектор не готов воспринимать новые частицы. Это «мертвое время» детектора влияет на его быстродействие.

Технические подробности

Если кто-то захочет самостоятельно сделать подобную модель, то вот несколько замечаний и советов.

1) Самая сложная в изготовлении часть — это труба. Мы заказывали ее в фирме, которая как раз гнет трубы из плексигласа. Главная трудность — сделать так, чтоб внутренняя поверхность была гладкой и ровной, без морщин. При таком соотнощении радиуса трубы и радиуса закругления это оказалось не так уж и просто, фирма сделала это вовсе не с первой попытки. Для примера выкладываю чертеж трубы с параметрами, которые я запросил у фирмы. Можно, конечно, сделать трубу из чего-то другого, надо только убедиться, что материал достаточно жесткий — иначе шарик не будет долго катиться (на нашей модели он делает 3-4 оборота, это достаточно для демонстрации).

Рис. 5. Чертеж трубы из плексигласа.

2) В окрестности места столкновений труба должна быть максимально плоской, чтобы позволить частицам вылетать вбок без подпрыгивания. Поэтому центральная секция у нас выполнена в виде металлической вставки, которая вначале повторяет кривизну трубы, а к центру распрямляется. Поскольку нереально просчитать заранее все параметры, надо дать себе свободу действий для настройки этой секции. Кроме того, надо сделать так, чтобы на месте стыка трубы и вставки не было ступеньки.

3) Опять же, трудно заранее просчитать, под каким углом и с какой скоростью шарики должны влетать в трубу, чтобы попасть на хорошую траекторию и не вылететь в центральной секции. Здесь тоже надо предоставить себе свободу маневров, как по высоте, так и по углу. Мы использовали для этого липучки-велкро на концах желобов, на их держателе, и на окошках трубы.

61 комментарий:

  1. Ещё было бы интересно порассуждать про различимость/неразличимость частиц. Если у вас происходит столкновение двух шариков, то если уж совсем пристально не вглдываться, то понять какой шарик куда полетел наверное довольно сложно. С другой стороны, шарики можно раскрасить. С третьей стороны, по соотношению между углом рассеяния и искривлению трека за счёт раскручивания шариков при ударе похоже можно восстановить какой шарик куда рассеялся даже не наблюдая сам момент удара.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Да, мне тоже кажется, что должны отличаться, т.к. шарики катились в противоположные стороны, и это вращение в момент удара не теряется.
      А вообще да, тут можно много что поисследовать.

      Удалить
    2. Анонимный26/9/14 20:36

      помогите где можно заказать такую трубку?

      Удалить
    3. Мы заказывали в фирме, которая занимается поставкой пластика, плексигласа, и изделий на его основе. Они сами взяли кусок и в печи с горячим песком ее изогнули. За 250 евро.

      Удалить
  2. Почему на видео не упоминается имя жены?
    Все гениальное - просто!

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Почему на видео нет жены вообще?!

      Удалить
    2. Жену зато слышно, если хорошо прислушаться :)

      Удалить
  3. Это прям неимоверно клёво! Мне кажется, такие "близкие" к осязаемому миру демонстрации способны привлекать многих детей после школы учиться дальше чему-то естественнонаучному.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Спасибо. Ну вот у меня такие же мотивы были, когда я захотел создать эту штуку.

      Удалить
  4. Анонимный24/4/12 14:24

    Такой дорогущий инструмент как БАК подтверждает то, что знали и 18 и в 19 веке — все частицы состоят из одного и тогоже строительного материала.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Сочувствую вам.

      Удалить
    2. Анонимный25/4/12 18:13

      Хм.
      Думал, что физика - удел познающих, но не сочувствующих.

      Удалить
    3. Тролльте в другом месте.

      Удалить
  5. Анонимный24/4/12 22:23

    Супер!
    Какие вы молодцы.
    Приятно читать и Ваш блог и теперь еще такой неожиданный пост.
    Очень крутая демонстрация.

    ОтветитьУдалить
  6. чёрная дыра там не появится?

    ОтветитьУдалить
  7. Tetrapack25/4/12 07:05

    Оригинальная модель! Можно было бы еще снизить угол наклона "инжекционных" желобков и добавить секцию разгона шариков в плексиглазовое кольцо. Скажем, ввести в трубу шланг со сжатым воздухом, чтоб продемонстрировать ускорение шариков в основном кольце перед столкновением!

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Анонимный25/4/12 10:15

      хм.. наверное, можно было бы пристроить пылесос для разгона..

      Удалить
    2. Да, конечно, хорошо было бы добавить в установку и ускорительную секцию. Мне кажется, это можно сделать еще более простым и при этом чисто механическим методом: сделать всю подставку целиком не неподвижной, а наклоняющейся туда-сюда на небольшой угол. Тогда можно буквально руками ее наклонять вперед-назад в такт движения шариков и наблюдать безостановочное движение по кругу. Для столкновений это правда не особо полезно.

      Это всё можно было реализовать, но я был ограничен по времени. Вообще в этой модели самое главное, что она работает. Когда я предложил эту идею, практически никто не верил, что оно будет действовать так, как я хочу. Люди просто не верили, что шарик будет кататься в таком кольце так, как надо, не говоря уж о более сложных явлениях.

      Удалить
    3. Да, а высота желобков там легко регулируется, держатель можно установить на любой высоте на штанге. Нынешняя высота была подобрана для того, чтобы шарики влетали с «правильной» начальной скоростью и ложились на траекторию, близкую к оптимальной.

      Удалить
  8. Tetrapack25/4/12 14:43

    Игорь, я бы попробовал сделать центральную часть медной "камеры столкновений" без поперечного прогиба по середине (не без продольного) и вровень с песком по краям узкой части. Т.е., утопить ее в песок немного. Как мне показалось, узкая часть ниже по середине и слегка поднимается к краям. По идее, шарики, "рассеянные под малыми углами", не будут, соскакивая с медной пластины, оставлять прерывистый трек. Или из прерывистого характера трека "частиц", рассеянных под малыми углами можно вытащить какую-либо аналогию с реальными коллайдерами?
    В общем, модель мне очень понравилась своей простотой и тем, что можно дополнительно еще придумать кучу мелких деталей, моделирующих реальные установки! :)

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Поперечный прогиб, конечно, не был сделан специально, просто у нас кустарные методы, эту центральную вставку я гнул руками, и она оказалась не совсем послушной.

      Сделать вровень с песком можно, например, досыпав побольше песка, и прерывистый след наверно пропадет. Но зачем? Мне он таким нравится больше, он становится визуально похожим на следы в реальных трековых камерах.

      А то, что тут много чего еще можно придумать, это да. Кстати, можно сталкивать и шарики разной массы. Тогда и закон сохранения импульса будет виден наглядно, и трек от более легкой частицы будет слабее.

      Удалить
  9. Великолепная модель. Я видел подобные трубы в Сбербанке: там по таким трубам под давлением перемещают документы в специальных контейнерах. Наверное, у них можнно узнать, где их делают.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Это называется пневмопочта, насколько я знаю.

      Удалить
  10. Анонимный25/4/12 22:11

    Модель понравилась, сделана добротно! Думаю, усложнять не нужно, детали будут только мешать пониманию основной идеи.

    ОтветитьУдалить
  11. Очень здорово. Большое вам спасибо за такую интересную «штуку» и рассказ о ней.

    ОтветитьУдалить
  12. Ух ты! Вас даже "толкнули" в массы http://ziza.qip.ru/2012/04/25/model_kollajjdera.html

    Очень жаль, что вы так редко пишите.

    ОтветитьУдалить
  13. Анонимный26/4/12 12:28

    Ну и что дальше? Пустая трата времени, ящитаю!

    ОтветитьУдалить
  14. Замечательная идея и добротная реализация! Просто здорово!
    Интересно, как эту модель народ на фестивале оценил?

    ОтветитьУдалить
  15. Анонимный27/4/12 14:08

    Наконец то стало понятно нафига оно такое непонятно, СПАСИБО за просвещение!!! только непонятно - ну вот столкнулись, ну вот траекторию получили и дальше как это анализируется? для чего сталкивать их?

    ОтветитьУдалить
  16. Жаль, что такая интерпретация не позволит понять, откуда берутся адроны. То есть качественно другие частицы.

    ОтветитьУдалить
  17. Игорь, спасибо вам за статьи в "Элементах".
    Надеюсь прочесть что-нибудь ещё из ликбеза, в духе "Анатомия одной новости", регулярно навещаю сайт. Сам я далек от физики, но ваша способность объяснять сложное простыми словами делает статью прямо таки волшебною сказкой. Без скидок:)

    ОтветитьУдалить
  18. Невесомость нужна, для трёхмерного измерения. Во всяком случае, будет дешевле отправить такой аппарат в космос, чем потратили на строительство БАК на Земле.
    И если добавить действительно разных шариков то вообще идентично выйдет, правда не совсем - нельзя для большого сделать ту среду в которой "обитают" малые.

    ОтветитьУдалить
  19. Авторы молодцы! В каждую школу такую ​​бы модель.

    ОтветитьУдалить
  20. Сегодня по телеку сказала ведущая "На большом адронном колайдере физики нашли прелестный кси-барион в сильно возбужденном состоянии, что удивило ученых"

    На форуме. Да все физики там пе..сы. Только такие могут найти маленькое прелестное и сильно возбужденное интересным.

    ОтветитьУдалить
  21. О, я как-то сочинял компоненты для наглядной имитации работы электросхем на воздухе/воде: источники V и A, сопротивления, емкости, катушки, транзисторы, триггеры и т.п. Жаль, до реализации дело не дошло.

    ОтветитьУдалить
  22. Анонимный5/5/12 09:45

    Привык читать Новости LHC на элементах...Но вот уже почти 2 месяца там нет никаких новостей(..Он (коллайдер) вобще жив,работает? Если да - то почему нет новостей? Неужели особо значимых событий не произошло за последние 2 месяца? Или же у Вас просто нет времени писать о нем?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Нет времени писать. Но вообще, я ведь неоднократно давал ссылки на странички, по которым можно следить самостоятельно за работой коллайдера. Они обновляются регулярно.

      Удалить
  23. Разобраться по ссылкам, что творится на БАКе, довольно затруднительно. Тем более, когда не знаешь в совершенстве английский. Надеюсь, с бозоном Хиггса ситуация коренным образом не изменилась.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Нет, пока не изменилась. Существенные обновления ожидаются к началу июля, к главной конференции года по физике частиц.

      Удалить
  24. Спасибо, Игорь!!!

    ОтветитьУдалить
  25. Анонимный17/5/12 05:53

    Модель хорошо поясняет механику "обслуживающей части", инфраструктуры, так сказать. То есть действительно самого коллайдера. Но ничего не говорит об элементарных частицах и их превращениях. Вот бы еще модельку какую-нибудь, которая наглядно демонстрирует превращения частиц. Я б, например, взял намагниченные шарики, разукрасил их в разные цвета и слепил вместе, а при соударениях группа слипшихся шариков будет разлипаться, а потом заново слипаться в других комбинациях.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Модель только инфраструктуру и призвана была иллюстрировать.

      Насчет магнитных шариков - а вы попробуйте. Если просто на столе делать, то можно показать рождение возбужденной частицы, как я описывал вот тут: http://igorivanov.blogspot.jp/2011/02/magnetic-balls.html
      Только на этой модели коллайдера они сталкиваться не будут — они просто не доедут друг до друга, я проверял. Они очень неохотно скатываются и останавливаются, как только въезжают на металлическую вставку.

      Удалить
  26. Игорь! Если можете, поясните пожалуйста почему редкие распады на мю мю ищутся среди Bs-мезонов. Почему эти же распады не ищутся среди Bc-мезонов. В чем здесь загвоздка?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. B_c мезоны заряжены, они не могут распадаться на mu+mu-. Вообще, самое главное слово тут «редкие» — т.е. поскольку в Стандартной модели нет нейтральных токов, меняющих аромат кварков, то такие распады идут исключительно неохотно. Поэтому если появится какой-то нестандартный источник таких токов, пусть даже очень слабенький, есть шанс его увидеть в этом редком процессе.

      Удалить
    2. >Поэтому если появится какой-то нестандартный источник таких токов, пусть даже очень слабенький, есть шанс его увидеть в этом редком процессе.<
      Если я правильно понял, это значит, что должны найти какие-то редкие частицы, являющиеся переносчиком этих токов.

      Удалить
    3. Сами частицы могут быть очень тяжелые, и может не хватить энергии напрямую их родить. Но даже косвенное их наличие, через вот такие распады достоверно отличающиеся от СМ, это уже большое достижение и выход на Новую физику.

      Удалить
    4. Спасибо, Игорь!

      Удалить
  27. Анонимный18/6/12 15:02

    Вопрос по поводу поиска Вимпов...Считаеться что они взаимодействуют через слабое взаимодействие и гравитацию с барионным веществом. По поводу слабого есть какая то уверенность так считать, или как говориться ищут там где светло?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Вообще, вимпы берутся из разных гипотетических конструкций вне Стандартной модели. Поэтому они могут вообще не участвовать во взаимодействиях Стандарной модели (кроме гравитации). Если же они в них участвуют, то только за счет слабых взаимодействий — иначе взаимодействие приводило бы к слишком сильным эффектам. Но это слабое взаимодействие может быть дополнительно ослаблено в силу каких-то особенностей вимпов.

      Удалить
  28. Спонсор магнитов - DESY ;)

    ОтветитьУдалить
  29. Спасибо Игорь. Очень наглядно. у меня пятилетняя дочь поняла (по крайней мере она так сказала) что делает коллайдер.
    Думаю можно еще линейку добавить для измерения длины трека. как раз для объяснения импульса частиц.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Спасибо и вам за отклик, очень хорошо, если поняла пятилетка. Если бы у нее была возможность самой поиграть с щариками, было бы еще лучше :)

      Удалить
  30. Очень интересно использовать магнитные шарики от известной игры НЕОКУБ. Можно моделировать влияние магнитного заряда частиц на процесс их столкновения.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Пробовали, они очень медленно скатываются по алюминиевому желобу из-за наведенных токов. В полностью пластиковом коллайдере можно было бы столкнуть и проиллюстрировать образование возбужденной составной частицы.

      Удалить
  31. Анонимный16/11/12 02:46

    Игорь, я без предложений или ценных замечаний, к сожалению, просто хочу выразить вам огромную благодарность, вы себе не представляете, как мне помогли.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Всегда пожалуйста! Если не секрет, в чем именно я вам помог? :)

      Удалить
  32. Анонимный11/1/13 22:08

    Игорь,добрый вечер.Не будет ли у вас возможности подкинуть идею для темы научно-исследовательской работы школьнице-8 класс. дочь обратилась за советом, а я - тетямотя в этом вопросе. не хотелось в грязь лицом ударять-родит.авторитет. тема должна быть жизненная и воспроизводима опыт.путем, может витает идея? дочь-умница,хочу помочь. спасибо за интересный долг!Yamaha

    ОтветитьУдалить
  33. Анонимный12/1/13 07:53

    Спасибо за интересный Блог, то есть. YAMAHA

    ОтветитьУдалить
  34. класс! как настоящий!
    Одно плохо - новые шарики не пояаляются :(

    ОтветитьУдалить