Физика элементарных частиц в 2018 году. часть 2

Гравитационный потенциал поля, создаваемого кольцевой областью свободной покоящейся элементарной частицы за ее пределами (продолжение)

Как видим, даже полученное в (103) выражение, для симметричной компоненты гравитационного поля элементарной частицы, отличается от общепринятого:

• (105)

Что же тогда говорить обо всем гравитационном поле элементарной частицы, которое даже не является сферически симметричным.
Гравитационный потенциал поля, создаваемого кольцевой областью, в точке с координатами (x,y,z), при условии (x2+y2=Ɩ2) определяется как: (106)

Для определения гравитационного потенциала всего гравитационного поля элементарной частицы, необходимо еще учесть и гравитационное поле, создаваемое внешними постоянным электрическим и постоянным магнитным полем. И каким бы не получился общий результат — совершенно очевидно, что он будет отличен от (105).
В заключение первой части скажу: в двадцатом веке в физике появилось множество теоретических построений, названных авторами “теориями гравитации”. Со временем физика даст им свою оценку, но что бы ни говорили авторы этих гипотез, а гравитационные поля в природе создаются элементарными частицами, из которых и состоит вещество. Все другие гравитационные поля есть продукт воображения — математические сказки, и наличие в природе иных форм гравитации (вместо существующей электромагнитной формы) предстоит не постулировать, а доказать.

Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.

Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.

Свойства ядерных сил:

• являются силами притяжения;
• являются короткодействующими силами (действуют на малых расстояниях, не превышающих 2·10-15 м; на таком расстоянии ядерные силы больше кулоновских приблизительно в 100 раз);
• обладают свойством зарядовой независимости (ядерные силы, действующие между двумя протонами, двумя нейтронами и между протоном и нейтроном, одинаковы);
• имеют свойство насыщения (каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра);
• не являются центральными (не действуют по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов).

Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.

Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:

где ​\( M \)​ – масса ядра.

Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:

где ​\( \Delta m \)​ – дефект масс.

Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.

Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:

где ​\( \Delta E_{св} \)​ – энергия связи, ​\( c \)​ – скорость света.

Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Энергетический эквивалент 1 а.е.м.

Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:

В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:

где ​\( A \)​ – массовое число.

Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом ​\( A \)​ ≈ 100). У тяжелых ядер (​\( A \)​ ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением ​\( Z \)​ кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Что такое Большой адронный коллайдер?

С английского collider можно перевести как сталкиватель. В БАК разгоняют протоны, нейтроны и другие тяжелые ядра, подверженные сильному ядерному взаимодействию. Этот класс частиц называется адронами — отсюда и название ускорителя.

На сегодняшний день БАК является самым большим ускорителем частиц. Он был построен в ЦЕРНе на месте предыдущего ускорительного комплекса — электрон-позитронного коллайдера. В работе БАК, а также в его обслуживании принимает участие более 10 тысяч человек по всему миру — это инженеры и ученые, работающие непосредственно в ЦЕРНе, а также огромное количество исследователей более чем из 100 стран.

Основная часть установки расположена на территории Швейцарии и Франции, в кольцевом тоннеле, длина окружности которого достигает почти 27 км. В тоннеле, проложенном на глубине около 100 метров, находятся две вакуумные трубы, в которых во время экспериментов в противоположных направлениях вращаются разогнанные пучки частиц. Частицы не должны задевать стенки труб, диаметр которых всего несколько сантиметров. Для этого их траекторию контролируют мощнейшие фокусирующие магниты. Для разгона частиц служит ускорительная секция, магниты которой с каждым оборотом протонного пучка придают ему дополнительную энергию. Специальная система сброса пучка в случае необходимости быстро уводит частицы из основного канала ускорителя в боковой.

Разогнанные пучки вращаются в трубах ускорителя со скоростью более 10 тысяч оборотов в секунду. Энергия столкновения провоцирует расщепление частиц на более мелкие составляющие. Для проведения экспериментов необходимо не только разогнать и столкнуть частицы, но и зафиксировать результаты столкновения. Эту задачу выполняют специальные детекторы элементарных частиц, расположенные в местах пересечения вакуумных труб. Часто для краткости под ускорителем подразумевают не только саму установку для разгона и стабилизации траектории пучков, но и детекторы.

Схема адронного коллайдера

Первичный разгон пучков происходит в относительно небольшом кольце SPS. Затем частицы попадают в основной канал ускорителя.

Основное кольцо поделено на восемь секторов. Вакуумные трубы пересекаются в точках 1, 2, 5, 8 (см. рисунок). В этих точках располагаются детекторы, регистрирующие результаты столкновения частиц. Основных детектора — четыре: крупные ATLAS и CMS и два средних: ALICE и LHCb. Также на БАК установлены еще два небольших специализированных детектора около ATLAS и CMS — это TOTEM и LHCf.

Что такое спин?

Спин электрона

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

7.1. Поле вращающегося гравитационного диполя, гравитационные волны

Пусть в плоскости (X,Y) находится гравитационный диполь, вращающийся с частотой f, центр вращения совпадает с центром диполя. Совместим с центром вращения начало координат.
Ищем гравитационное поле в этой плоскости в точке, с координатами (x,y), вне диполя. Пусть в некоторый момент времени угол между осью X и прямой, соединяющей массы равен θ.
Согласно закону всемирного тяготения, величина напряженности гравитационного поля в точке с координатами (x,y), создаваемого источником гравитационного поля с массой m расположенным в точке (1) удаленной на расстояние r₁, будет равна: (160)
где G — гравитационная постоянная.
Аналогичным образом, величина напряженности гравитационного поля в точке с координатами (x,y), создаваемого источником гравитационного поля с массой m расположенным в точке (2) удаленной на расстояние r₂, будет равна: (161)

Теперь определим r₁ и r₂.Как видно из представленного рисунка и тригонометрии: (162) (163) (164)
и для другого источника: (165) (166) (167)

Откуда получим компоненты векторов напряженности гравитационного поля: (168) (169) (170) (171)

Затем надо сложить одинаковые компоненты Г₁ и Г₂. (172) (173)

Модуль величины вектора напряженности гравитационного поля, создаваемого гравитационным диполем, равен корню квадратному из суммы квадратов его компонент, и будет: (174)

В дальней зоне, когда α2 можно пренебречь, полученное выражение упростится: (175)
где R — среднее расстояние до гравитационного диполя.
Подставим в (174) значение θ=0 (cosθ=1, sinθ=0), получим значение максимальной напряженности гравитационного поля: (176)
Аналогично, подставив в (174) значение θ=π/2 (cosθ=0, sinθ=1), получим значение минимальной напряженности гравитационного поля: (177)

Воспользовавшись свойствами симметрии поля, вращающегося гравитационного диполя, уравнения (176) и (177) можно упростить, введя: (178)
Тогда, положив x=R и y=0, получим: (179) (180)

Разница (179) и (180) даст удвоенную амплитуду гравитационной волны, создаваемой вращающимся гравитационным диполем: (181)
где (182)Таким образом, гравитационный диполь с массой M, с расстоянием между половинками массы равным 2α, вращающийся с частотой f поперек своей оси, создает в пространстве непрерывные гравитационные волны, частотой 2f, длиной волны (183)
и амплитудой (в плоскости вращения диполя) (184)

Но множитель 1/(R2) — это лежит на поверхности, а теперь посмотрим, что дает квадратная скобка на больших расстояниях (когда δ
(185)
Тогда квадратная скобка перепишется (186)
Подставив это в (184) получим: (187)
Как видим, амплитуда гравитационных волн, создаваемых вращающимся гравитационным диполем, на больших расстояниях от источника волн (когда α 4.
Как следует из (187) утверждение о том, что амплитуда гравитационных волн убывает по закону 1/R — к гравитационным волнам, создаваемым элементарными частицами из которых состоят материальные объекты Вселенной, никакого отношения не имеет. Желающие могут самостоятельно найти поле вращающегося гравитационного диполя вне плоскости его вращения.

7.2. Поле осциллирующего гравитационного диполя, его гравитационные волны

Пусть в плоскости (X,Y), проходящей через точку наблюдения, находится гравитационный диполь, осциллирующий с частотой f. Совместим с центром диполя начало координат, а ось Y направим вдоль линии, соединяющей центры масс.
Ищем гравитационное поле в этой плоскости в точке, с координатами (x,y). Пусть в некоторый момент времени расстояние между массами достигло максимума равного 2α₁.
Тогда величина напряженности гравитационного поля в точке с координатами (x,y), создаваемого обоими источниками гравитационного поля с массой m, будет равна: (188) (189) (190)
где R — расстояние от центра диполя до точки наблюдения.
Когда (через определенное время) массы максимально приблизятся, до расстояния 2α₂, мы получим новую величину напряженности гравитационного поля в точке с координатами (x,y), создаваемого источниками гравитационного поля с массой m: (191) (192)
Разница напряженностей гравитационного поля будет: (193) (194)
Введем обозначение: (195)
Тогда (6) и (7) перепишутся: (196) (197)
На больших расстояниях (когда δ
(198)
И со знаком минус: (199)
Тогда, отбросив δ6, получим: (200) (201)
Но (202)
Тогда: (203)
Как получилось, X-компонента стремится в нуль по закону 1/R6. Посмотрим, что даст Y-компонента. (204)
Получилось, что и Y-компонента стремится в нуль по закону 1/R6 (первое слагаемое) и 1/R7 (второе слагаемое).
Как видим, гравитационные волны, создаваемые осциллирующим гравитационным диполем, с удалением от источника, стремятся в нуль не медленнее чем 1/R6.

Интересные факты

• Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
• Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
• Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
• Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
• Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. ).
• Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.

Осевой бозон Хиггса

Существование бозона Хиггса было предсказано в 1964 году физиком-теоретиком Питером Хиггсом, но обнаружить частицу удалось лишь на Большой адронном коллайдере (БАК) десять лет назад. Считается, что именно бозон Хиггса придает массу всем остальным частицам Стандартной модели и фактически ее подтверждает.

Но недавно физики из Бостонского университета сообщили об обнаружении родственной бозону Хиггса частицы – так называемой осевой бозон Хиггса. К такому выводу исследователи пришли без помощи БАК, что удивительно. Более того, наличие у «частицы Бога» родственника свидетельствует о недостатках современной физической теории, включая неточность Стандартной модели элементарных частиц.

Большой адронный коллайдер позволил обнаружить частицы, существование которых предсказывали десятилетия назад

Стандартная модель включает два типа частиц: бозоны, к которым относятся глюоны и гравитоны; и фермионы, которые составляют материю и включают в себя нейтрино, электроны и кварки. Однако поиски частиц, способных полностью объяснить природу Вселенной, частенько заводят физиков в тупик. Так что исследователи ожидают новый запуск БАК после почти трехлетнего перерыва и надеются обнаружить больше частиц, что скрываются на просторах Вселенной.

Уничтожит ли коллайдер Вселенную?

Вокруг БАК существует огромное количество мифов, среди которых есть и утверждение, что ускоритель способен уничтожить нашу планету или даже всю Вселенную.

Обоснование этого мифа строится на теории о том, что Вселенная, в которой мы живем, нестабильна, а столкновения на коллайдере могут породить более стабильную версию Вселенной, которая начнет разрастаться и разрушать нашу версию.

Опровергнуть подобные суждения довольно просто. Ведь во Вселенной постоянно происходят естественные процессы, которые ускоряют и сталкивают бесчисленное количество частиц с энергиями, которые на БАК просто недостижимы. И если бы существовала малейшая вероятность, что подобные столкновения приведут к «вселенской катастрофе», то это уже давно бы случилось.

Стерильные нейтрино

Итак, сегодня мы знаем о существовании трех типов или разновидностей нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Многие исследователи полагают, что существует четвертый аромат – стерильные нейтрино.

Свое название эти частицы получили исходя из предположения о том, что они взаимодействуют с другими частицами исключительно за счет гравитации. А вот оставшиеся три разновидности могут объяснить природу темной материи.

Нейтрино входит в число самых распространенных частиц во Вселенной, но поймать их сложно. Так как у этих частиц практически нет массы и электрического заряда. Отследить их можно только по слабому ядерному взаимодействию.

Особое отношение физиков к нейтрино обусловлено их странными свойствами –электронное нейтрино может превратиться в тау- или мюонное нейтрино, и наоборот. Это объясняет интересный квантомеханический эффект под названием нейтринные осцилляции – когда один вид нейтрино превращается в другой, или же становится антинейтрино.

Поисками нейтрино ученые занимаются по всему миру

Ряд аномалий, выявленных еще в 1990-х годах во время экспериментов по изучению нейтрино, подтвердила работа 2002 года, а также исследования последних лет. К тому же новый эксперимент, проведенный глубоко под землей, также зафиксировал наличие аномалий, Так что либо стерильные нейтрино действительно существуют, либо все наши знания физики ошибочны.

Гравитационные волны создаваемые тепловым движением атомов кристаллической решетки

Пусть у нас имеется атом кристаллической решетки некого твердого тела, при температуре, отличной от абсолютного нуля. Такой атом будет колебаться, около среднего положения. Проведем плоскость, через точку наблюдения и линию, вдоль которой происходит колебание атома в кристаллической решетке. Направим ось Y через линию колебания атома, а начало координат совместим со средним положением. Пусть амплитуда максимального отклонения равна α.
Ищем гравитационное поле в этой плоскости в точке, с координатами (x,y). Пусть в некоторый момент времени атом находится в точке +α.
Тогда величина напряженности гравитационного поля в точке с координатами (x,y), создаваемого атомом с массой m, будет равна: (205) (206) (207)
где R — расстояние от средней точки осцилляций атома до точки наблюдения.
Двигаясь в обратную сторону, атом через некоторое время пройдет среднюю точку. В этом случае, напряженность гравитационного поля в точке с координатами (x,y), создаваемого осциллирующим источником гравитационного поля с массой m будет: (208) (209)
Когда (через определенное время) атом попадет в точку -α, мы получим новую величину напряженности гравитационного поля в точке с координатами (x,y), создаваемого осциллирующим источником гравитационного поля с массой m: (210) (211)
Определим, насколько гравитационное поле, создаваемое источником в точке +α, отличается от поля, создаваемого источником в средней точке (0): (212) (213)
где (214)
Заменим выражение в степени 3/2 на тоже выражение в степени 1 умноженное на три первых члена разложения квадратного корня в ряд Тейлора. (215)
Тогда, отбросив δ6, скобка в (212) перепишется: (216)
Аналогично перепишется и скобка в (213): (217)
Тогда, при δ
(218)
На оси X, координата х сравняется с R, в результате будет: (219)
Аналогично разберемся с Y компонентой (220)
На оси Y, координата y сравняется с R, в результате получим две составляющие, по-разному стремящиеся к нулю: (221)
Первый член выражения (221) будет стремиться к нулю, быстрее второго члена, поэтому, учитывая и (219), начиная с определенного расстояния, останется только: (222) (223)
Мы получили гравитационную волну, распространяемую вдоль оси колебания атома, амплитудой (224)
В направлениях, отличных от оси колебания, необходимо умножить еще на косинус угла между направлением и осью колебания атома: (225)
Как видим, 1/R2 дает ослабление с расстоянием самого гравитационного поля, еще 1/R дает гравитационная волна, а в итоге получается 1/R3. — Это самое медленное убывание амплитуды гравитационных волн с расстоянием до источника, создаваемых элементарными частицами и состоящими из них атомами и молекулами вещества Вселенной.
С ростом абсолютной температуры вещества, будет возрастать, и амплитуда создаваемых его атомами гравитационных волн. Очевидно, для регистрации гравитационных волн с помощью твердых тел, как минимум, необходимо охлаждение этих тел (а также окружающих их тел) до температур, близких к абсолютному нулю. Но и при этом остается очень большой шанс поймать гравитационные волны от проезжающего автомобиля или иного движущегося предмета. Также остается поток электронных нейтрино, проходящих через установку, но его можно отделить по частоте принимаемого сигнала.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

• Время жизни.
  1. Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
  2. Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9•10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
• Масса.
  1. Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
  2. Массивные частицы – все остальные.
• Значение спина.
  1. Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
  2. Частицы с полуцелым спином — фермионы.
• Участие во взаимодействиях.
  1. Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
  2. Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

Натуральное производство

Позитроны естественным образом образуются в β+ распады естественных радиоактивных изотопов (например, калий-40 ) и при взаимодействии гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино представляют собой еще один вид античастиц, производимых естественной радиоактивностью (β− разлагаться). Многие различные виды античастиц также производятся (и содержатся в них) космические лучи. В исследовании, опубликованном в 2011 г. Американское астрономическое общество были открыты позитроны, возникающие выше гроза облака; Позитроны образуются в гамма-вспышках, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. Было также обнаружено, что антипротоны существуют в Ремни Van Allen вокруг Земли .

Античастицы, из которых наиболее распространены позитроны из-за их малой массы, также образуются в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц больше, чем парное производство порог). В период бариогенезиса, когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антивещество непрерывно производились и уничтожались. Наличие оставшегося вещества и отсутствие обнаруживаемого оставшегося антивещества, также называемый барионная асимметрия, приписывается CP-нарушение: нарушение CP-симметрии, относящейся к антивеществу. Точный механизм этого нарушения при бариогенезе остается загадкой.

Производство позитронов из радиоактивных β+ разлагаться можно рассматривать как искусственное, так и естественное производство, так как образование радиоизотопа может быть естественным или искусственным. Возможно, наиболее известным изотопом природного происхождения, производящим позитроны, является калий-40, долгоживущий изотоп калия, который встречается как первичный изотоп калия. Несмотря на небольшой процент калия (0,0117%), это единственный наиболее распространенный радиоизотоп в теле человека. В теле человека массой 70 кг около 4400 ядер 40K распада в секунду. Активность природного калия 31 Бк /грамм. Около 0,001% из них 40K-распады производят около 4000 естественных позитронов в день в организме человека. Эти позитроны вскоре находят электрон, аннигилируют и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ в процессе, аналогичном (но с гораздо меньшей интенсивностью) тому, что происходит во время ПЭТ сканирование ядерная медицина процедура.[нужна цитата ]

Недавние наблюдения показывают, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы в астрофизические джеты. Большие облака позитронно-электронной плазмы также были связаны с нейтронными звездами.

Наблюдение в космических лучах

Спутниковые эксперименты показали наличие позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах, составляющих менее 1% частиц в первичных космических лучах. Похоже, они не являются продуктом большого количества антивещества, образовавшегося в результате Большого взрыва, или действительно сложного антивещества во Вселенной (доказательства отсутствуют, см. Ниже). Скорее, антивещество в космических лучах, по-видимому, состоит только из этих двух элементарных частиц, вероятно образовавшихся в энергетических процессах спустя много времени после Большого взрыва.[нужна цитата ]

Предварительные результаты действующих в настоящее время Альфа-магнитный спектрометр (AMS-02) на борту Международная космическая станция показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без направленности и с энергиями в диапазоне от 0,5 ГэВ до 500 ГэВ. Доля позитронов достигает максимума около 16% от общего числа электрон + позитронных событий при энергии 275-32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, соотношение позитронов и электронов снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, намного превышающих энергии электронов, которые достигают максимума около 10 ГэВ. Было высказано предположение, что эти результаты интерпретации связаны с рождением позитронов в событиях аннигиляции массивных темная материя частицы.

Позитроны, как и антипротоны, похоже, не происходят из каких-либо гипотетических «антивещественных» областей Вселенной. Напротив, нет никаких свидетельств существования сложных атомных ядер антивещества, таких как антигелий ядер (то есть анти-альфа-частиц) в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS-02 назначенный АМС-01, был отправлен в космос на борту Космический шатл Открытие на СТС-91 в июне 1998 года. Не обнаружив ни одного вообще, АМС-01 установлен верхний предел 1,1 × 10−6 для антигелия к гелию поток соотношение.

Перезагрузка

В конце 2018 года все эксперименты на БАК были остановлены, и команда инженеров начала масштабный апгрейд системы. Целью усовершенствований является создание Большого адронного коллайдера высокой светимости. Проще говоря, будут усовершенствованы системы разгона, столкновения и детекции частиц для большей эффективности запусков ускорителя. Адронный пучок в новой версии коллайдера будет гораздо плотнее, а значит, увеличится и вероятность столкновения отдельных частиц. После столкновений будет получаться большее количество «обломков» элементарных частиц, детекторы станут регистрировать еще больше событий, и вероятность обнаружить новые частицы существенно увеличится.

Коллайдер высокой светимости проработает с начала 2021-го до конца 2023 года. Затем последует следующий этап модернизации для повышения светимости еще в 5–7 раз. Следующий сеанс эксплуатации будет начат в 2026 году.

Пока что точно просчитан план эксплуатации и усовершенствования ускорителя до 2034 года. Однако сейчас ЦЕРН работает над разработкой проекта FCC (Future Circular Collider), то есть коллайдера будущего, который разместится в том же тоннеле.