Детекторы на Большом адронном коллайдере

На "Элементах", в проекте про Большой адронный коллайдер, появились странички про все шесть детекторов на LHC и про методы детектирования вообще (см. странички с пометкой new). если есть вопросы или замечания -- пишите сюда.

Как облучают ионосферу и что при этом получается

В свежем выпуске Physical Review Letters появились две статьи, в которых рассказывается об интересных экспериментах с ионосферой Земли, проведенных на американской станции HAARP на Аляске.

Эксперименты с ионосферой Земли -- это не так страшно, как может показаться на первый взгляд.

Задачка по оптике

Вот вам на выходные задачка по физике :).

Как известно, даже самая четкая собирающая линза не может сфокусировать свет в точку -- в фокальной плоскости всё равно будет пятнышко размером порядка длины волны. Хорошо, мы сфокусировали свет в такое пятно, а потом перешли в систему отсчета, движущуюся с релятивистской скоростью вдоль оптической оси, в направлении движения света. Все поперечные размеры при этом остаются неизменными, но длина волны света во много раз увеличится из-за эффекта Доплера. Получается, нам удалось сделать пятно во много раз меньше длины волны электромагнитного излучения!

В чём тут подвох?

Получение электричества из человека

Вырабатывать электричество из человека очень просто. Для этого вовсе не требуется "высасывать из него жизненные соки", как это делается в "Матрице", а достаточно просто покрутить ручку динамомашины. Существуют даже специальные девайсы, например, радио с ручной подзарядкой: покрутил минуту -- слушаешь радио.

У этих методов есть два недостатка. Как правило, приходится делать действия специально для вырабатывания электроэнергии, а также при этом затрачиваются заметные усилия. Поэтому хотелось бы придумать устройство, которое генерировало бы электричество "в фоновом режиме" и при этом почти не ощущалось бы.

Вот пара недавних достижений в этом направлении, опубликованные почему-то в научных журналах.

Сопротивление контакта

Кстати об аварии на LHC. Тем, кто дружит с электротехникой, будет наверно интересно узнать, какие сопротивления в сверхпроводящих магнитах считаются приемлемыми в Большом адронном коллайдере.

Прежде всего, при рабочей температуре сам сверхпроводящий кабель имеет нулевое сопротивление, но из-за необходимости механически соединять шины, несущие высокий ток, возникает сопротивление контактов.

У простого механического контакта двух металлов очень маленькое сопротивление, и кроме того, оно уменьшается с ростом прижимающей силы, но его вполне можно измерить, имея обычные советские вольтметр и амперметр, даже мне теоретику это когда-то удалось сделать :). У припаенного контакта наверно еще меньше. Но в обмотках магнита текут сильные токи, вплоть до 10 кА, поэтому приемлемое сопротивление определяется возможностями криогенной системы.

Криогенная система LHC, самая внутренняя, на сверхтекучем гелии, позволяет отводить локальное тепловыделение в 10 ватт. При токе в 10 кА это даёт сопротивление контакта 100 наноом. Поэтому безопасными являются контакты в несколько десятков наноом. Если сопротивление превышает 100 нОм, то начиная с некоторого момента гелий уже не может отводить всё тепло, часть тепла начинает поглощаться металлом, поддерживающим контакт (медь), он начинает нагреваться, нагрев передается сверхпроводнику, вызывая в какой-то момент его переход и -- бабах.

Впрочем, эта аварийная ситуация развивается не так быстро, как может показаться на первый взгляд. Уже после аварии были подняты все лог-файлы и было обнаружено, что температурные датчики начали регистрировать локальный рост температуры (на сущие милликельвины) еще за 5 минут(!) до аварии. Почему-то система была сконфигурирована так, что этому росту не придавалось большое значение. Отныне за таким ростом будут следить строго.

Измерения, проведенные по новой методике в тех секторах ускорителя, которые оставались холодными, показали, что подавляющее большинство контактов имеет сопротивление не более 10-20 нОм. Был обнаружен один контакт на 100 нОм в секторе 1-2, и соответствующий магнит уже заменили. Кроме того, еще один на 50 нОм был найден в секторе 6-7, его тоже решили заменить для пущей безопасности. У дефектного контакта в секторе 3-4, вызвавшего аварию, было сопротивление примерно 200 нОм.

Если кому интересно, вот доклад с прошедшей недавно конференции Chamonix-2009, полностью посвященный этим вопросам.

Цитата

Цитата:

Le public ne comprend pas assez chez nous que la science pure est la condition indispensable de la science appliquée et que le sort des nations qui négligent la science et les savants est marqué pour la décadence.

Albert Ier, 1er octobre 1927

Перевод:

Общество у нас недостаточно хорошо понимает, что фундаментальная наука является совершенно необходимым условием для науки прикладной и что участь любой нации, пренебрегающей наукой и учеными, отмечена печатью декаданса.

Эта фраза принадлежит Альберту I, Королю Бельгии c 1909 по 1934 год и между прочим герою Первой мировой войны. В 1928 году по его инициативе был основан бельгийский Национальный Фонд научных исследований (FNRS), на котором до сих пор во многом держится фундаментальная бельгийская наука.

Новости про Большой адронный коллайдер

Сегодня завершилась закрытая конференция Chamonix-2009, на которой принимались решения относительно работы LHC, как оказалось, на ближайшие два года. Точнее, по результатам конференции были составлены рекомендации, которые для вступления в силу должны быть одобрены на заседании Директората ЦЕРНа в ближайший понедельник.

Главные пункты (исправлено 9.02):

• охлаждение к концу августа;
  
• пучки к концу сентября;
  
• начало экспериментов в октябре;
  
• непрерывная работа сквозь зиму (с небольшой рождественской паузой) вплоть до осени 2010 года;
  
• работа на энергии 5 ТэВ на пучок; к осени 2010 года обещают накопить светимость 200 pb^-1 (что, вообще-то, довольно мало).
  

Задержка (составляющая 6 недель) связана с тем, что раньше сентября не успевают протестировать все свежеустановленные и охлажденные магниты. Работать сквозь зиму -- очень дорогое занятие из-за электричества, но оценки показывают, что иначе в 2009 и 2010 годах будет слишком мало пучкового времени.

Подробности см. в пресс-релизе ЦЕРНа, в специальном обращении генерального директора ЦЕРНа и на странице научной программы конференции, где сейчас в свободном доступе появились все доклады.

Напоминаю, что за новостями вокруг Большого адронного коллайдера и его научной программы я стараюсь следить на странице Новости LHC.

Полный геном неандертальца будет предъявлен через неделю

В свежем выпуске Nature появилась небольшая заметка, в которой говорится, что через неделю будут объявлены первые результаты трёхлетнего проекта по секвенированию полного генома неандертальца. Я в этой теме совсем слабо ориентируюсь, но судя по комментариям специалистов, ожмдается много интересного.

Подробнее об этом проекте см. в новости Александра Маркова на "Элементах" Полный геном неандертальца будет прочтен через два года (20 ноября 2006). Вероятно, там же будет подробная новость и о результатах, когда они появятся. Полезно также следить за сообщениями в антропологическом блоге Джона Хоукса.

Про мерцающие огни

А знаете ли вы, что невооружённым глазом можно легко отличать мерцающий огонек от непрерывно светящегося, даже если частота мерцания составляет сотни герц?

Удобнее всего это наблюдать, если это огонек небольшого углового размера на темном фоне (задние габаритные огни машин вечером, уличные фонари, светодиоды на бытовой технике в темноте). При прямом пристальном взгляде на такой огонек, разумеется, мерцание не заметно. Но если быстро мотнуть взглядом туда-сюда, то на сетчатке на мгновение запечатлеется развёртка света во времени. Непрерывный свет оставит на след в виде полоски, а мигающий -- в виде большого числа отдельных изображений.

При соответствующей сноровке можно нвооруженным глазом примерно определить частоту мерцания, если предварительно потренироваться на источниках известной частоты (откуда узнать частоту -- см. ниже). Можно даже измерить скважность сигнала (скважность -- это единица, поделить на долю периода, в течение которого огонёк горит). Например, наблюдения показывают, что уличные фонари имеют скважность, близкую в 1, а у некоторых автобусов габаритные огни имеют очень высокую скважность.

Интересно также рассматривать надписи на бегущей строке из светодиодов. При обычном взгляде буквы выглядят прямыми, но если мотнуть взглядом вверх или вниз вправо или влево, то они кажутся наклонёнными. Это результат того, что строки табло обновляются не одновременно, а поочереди, как правило сверху вниз.

Теперь о том, как измерить частоту в домашних условиях. Для этого потребуется фотоаппарат, причем подойдет и цифромыльница -- главное, чтобы вы могли выставлять выдержку (или просто знали её). Если сделать снимок, одновременно поворачивая камеру, то на снимке появятся несколько отдельных изображений, по количеству которых и восстанавливается частота.

Вот пример такого снимка, сделанный обычной кэноновской мыльницей:


Это снимок индикатора на микроволновке с выдержкой 0,1 сек. Видны четыре отдельных изображения (расположенные в строчку иконка часов и "0:28"). Это означает, что частота составляет 40 Гц. Проверка на других выдержках это число подтвердила. Можно также заметить, что скважность мерцания очень высокая (цифры не смазаны), а также, что часы "0" и минуты "28" обновляются не одновременно, а со сдвигом фаз.

Кстати, проверив несколько светодиодов на разной бытовой технике, я обнаружил как непрерывные, так и мерцающие, причём с самыми разными частотами, от 40 до 200 Гц. Глазом 200 Гц тоже прекрасно различается.

Update: сейчас повторил опыт с тем же индикатором. Оказывается, его частота не 40, а 200 Гц, т.е. выдержка на том снимке, получается, была 1/50.

Насколько естественна слабость CP-нарушения?

В октябре в архиве появились две статьи (G.W.Gibbons, S.Gielen, C.N.Pope, N.Turok, arXiv:0810.4368 и arXiv:0810.4813), в которых рассказывается о довольно простом, но интересном результате. Оказывается, малость эффектов CP-нарушения в слабых взаимодействиях связана с иерархией кварковых масс.

Quantitative Finance

Я только сейчас заметил, что в Архиве е-принтов месяц назад появился новый раздел -- Quantitative Finance (q-fin). Причем сразу с семью подразделами. Статей там пока появляется не слишком много, по паре в день, но вероятно вскоре раздел раскочегарится.

Вызвано ли появление этого раздела кризисом или задумывалось давно (по аналогии с Quantitative biology), я не знаю, но по-моему будет полезно, если еще один раздел начнет смещаться к публикациям в открытом доступе. В принципе, финансовые статьи изредка появлялись в архиве и раньше, но они были разбросаны по разным разделам.

Краткая справка для тех, кто первый раз слышит про Архив. Это бесплатный репозитарий препринтов по физике (в основном это ядерная физика, физика элементарных частиц, физика конденсированных сред, астрофизика) и смежным наукам (математическая физика, математика, теоретическая computer science и т.д.). В этих тематических областях уже давно принята практика выкладывать в Архив свои статьи перед отправкой их в журнал (изредка -- после принятия журналом к публикации), причем абсолютно все статьи находятся в свободном доступе. Сейчас в крупных разделах архива появляется под сотню статей в день, и рабочий день физика начинается с просмотра свежих публикаций в Архиве. Теперь это заменяет просмотры бумажных журналов, причем о свежей работе узнаешь буквально на следующий день, а не через полгода.

Для тех, кто интересуется астрофизикой, в Рунете есть уникальный проект -- аннотированные еженедельные обзоры astro-ph, которые Сергей Попов ведет уже седьмой год.

Про лазерные ускорители

Меня попросили прокомментировать недавнюю новость на Хабрахабре про лазерные ускорители с броским и совершенно неадекватным названием Настольные лазерные ускорители отправят БАК на свалку истории. Я подумал, что полезно будет ответ вынести в отдельный пост.

Смазка против эффекта Казимира

В свежем выпуске Nature появилась статья про измерение эффекта Казимира в таком режиме, когда он приводит не к притяжению, а к отталкиванию. Причем на обложку журнала была вынесена картинка про эту работу в сопровождении слов "квантовая левитация". Наверняка за них ухватятся журналисты, пообещав читателю новые блестящие перспективы нанотехнологий (вот и первая ласточка), а то и чего похуже.

Между тем, на мой взгляд, шумиха вокруг этой работы явно излишняя. Ее результат вовсе никакой не неожиданный, как утверждается в заметке по ссылке, да и вряд ли эта работа приведет к каким-то прорывным достижениям в микромеханике.

Обычный эффект Казимира -- это притяжение между двумя незаряжеными телами. Обычно говорится, что это проявление квантовых флуктуаций электромагнитного поля, которые всегда существуют в вакууме, но на самом деле эффект можно сформулировать и без квантовых флуктуаций (это ван-дер-ваальсовы силы в режиме, когда нельзя пренебрегать эффектами запаздывания взаимодействия).

Так или иначе, силы за счет этого эффекта до сих пор всегда приводили к притяжению, как в теорических расчетах в разной геометрии, так и во всех экспериментах. Есть большое подозрение, что это вообще универсальный результат, хотя строгого доказательства для тел произвольной формы, по-моему, еще не получено (см. впрочем заметки Эффект Казимира не может приводить к расталкиванию симметричных тел и Обнаружена ошибка в расчетах эффекта Казимира для микромеханических устройств).

Вообще, сила Казимира слабая, и проявляется она на расстояниях не более сотен нанометров. Однако она очень беспокоит конструкторов микромашин -- ведь она будет служить этаким "универсальным клеем", склеивающим отдельные части устройств субмикронного размера (см. заметку Микромеханика перед лицом серьезных трудностей).

Однако еще полвека назад Е.М. Лифшиц предсказал, что силу Казимира можно сделать отталкивательной, если два тела разделены не вакуумом, а жидкостью со специально подобранным показателем преломеления. Более конкретно, если два тела сделаны из материалов с диэлектрической проницаемостью ε₁ и ε₂, а разделяющая их жидкость имеет диэлектрическую проницаемости ε₃, то направление силы будет зависеть от знака (ε₁-ε₃)(ε₂-ε₃). Если эта величина положительна -- будет притяжение, если отрицательна (например, при ε₁ > ε₃ > ε₂) -- будет отталкивание.

В новой статье эту силу впервые измерили экспериментально. Да, в пределах погрешностей всё сошлось с теорией. Очень хорошо, эффект проверен. Но решает ли он проблемы микромеханических устройств? Вряд ли. Ведь удерживать от слипания требуется обычно движущиеся детали микромашин, и движутся они в вакууме или газе. А тут предлагается внутрь микромотора залить жидкость, этакую "смазку против эффекта Казимира". Статическое трение убрали, динамическое -- добавили, ведь на субмикронных масштабах сила вязкости будет очень мешать движению механизма!

Можно конечно придумать устройства, где важно устранить именно статическое трение, а не вязкость. Но зачем тогда огород городить? Если у нас и так есть жидкость в распоряжении, всегда можно обойтись и без эффекта Казимира, например, сделать поверхности сильно смачиваемыми, так чтоб между ними всегда был слой жидкости, т.е. обычная смазка. Да и вообще, если зазор между телами невелик, то в действие вступают обычные ван-дер-ваальсовые силы, а отталкивательные ван-дер-ваальсовые силы тоже уже были получены. По сути, новшество этой работы состоит в доказательстве того, что отталкивание сохраняетися и при больших расстояниях, где сказывается эффект запаздывания взакимодействий.

Update: По наводке Юрия Ерина, вот страница публикаций этой группы, а вот -- прямая ссылка на pdf статьи в Nature. Кстати, в статье Physical Review A 75, 060102(R) (2007), которая есть в списке публикаций, приведена чуть более подробная история вопроса, чем в статье в Nature.

А вот и популярная заметка от Юрия Ерина: Впервые измерена сила отталкивания в эффекте Казимира–Лифшица.

Scitable -- новый проект Nature

На днях узнал, что у Nature есть новый интересный проект: Scitable. Вкратце -- это подборка материалов, помогающая студентам самостоятельно осваивать ту или иную область в естественных науках. Плюс всякий разный функционал, типа персональных настроек, дискуссий и т.п., хотя сомневаюсь, что это реально кому-то помогает. В общем, это для тех, кто готов тратить время и хочет серьезно изучать эту область, но не имеет доступа к хорошим преподавателям и не знает, за что ухватиться при полностью автономном изучении.

Сейчас там, правда, имеется только одно направление -- генетика, но надеюсь они будут расширяться. Было бы интересно посмотреть на такие же подборки по физике.

Я, кстати, видел несколько попыток людей организоваться онлайн и изучать что-то вместе, когда-то давно я даже участвовал в одной из них (совместное решение задачек из Пескина-Шредера), но это всё всегда быстро глохло. Всё-таки самообучение, по крайней мере в теоретической физике, это сугубо интимный процесс :) Но в принципе в каких-то форматах такое онлайн-кооперирование могло бы принести пользу. Знает ли кто-нибудь примеры успешных проектов? Так, чтоб участники действительно серьезно вместе изучали какую-то тему, а не просто потрещали на форуме и разошлись.

Большому кораблю -- большое плавание

А точнее, большому детектору -- большое описание.

Сегодня в архиве епринтов появилась "статья" на 1852 страницы с описанием того, как именно будет работать детектор ATLAS. Строение детектора было опубликовано полгода назад и уместилось всего в 437 страниц; здесь же рассказывается именно о функциональных особенностях детектора.

Краткое содержание: рассказывается о том, как будут восстанавливаться свойства зарегистрированных частиц, как будут отбираться события для анализа, как будут изучаться топ-кварк и B-мезоны, и наконец дан подробный разбор стратегий поиска хиггсовского бозона, суперсимметрии, проверок различных экзотических теорий.

В общем, можно считать, что это официальный план действий коллаборации ATLAS на ближайшее время.

На картинке вверху: так будет выглядеть в детекторе ATLAS процесс распада хиггсовского бозона на ZZ -> μ⁺μ⁻e⁺e⁻. Разными цветами показаны "хиты" частиц в различных компонентах детектора.