Почему на встречных пучках?

Раньше ускорители были устроены так, что в них разогнанные частицы бомбардировали неподвижные мишени. Но на самом деле энергетически выгодно использовать ускорители на встречных пучках (коллайдеры), однако создание подобных ускорителей долгое время было невозможно по причине технических сложностей.
В настоящее же время коллайдеры активно используются в быту в физике высоких энергий. Почему выгоднее сталкивать два предварительно разогнанных пучка, а не бомбардировать неподвижную мишень?
Для ответа необходимо расчитать энергию в лабораторной системе отсчета (в формулах индекс L), которая эквивалента энергии в системе центра инерции (это та система, в которой две частицы налетают на покоящийся центр инерции)(в формулах индекс CM). Для этого используется понятие "релятивистский инвариант", т.е. инвариант содержащий энергию и импульс. Релятивистский инвариант ищется в системе центра инерции и приравнивается к инварианту в лабораторной системе:













В последней строчке получено численное значение энергии в лабораторной системе (в этой системе пучки не сталкиваются, а один пучок налетает на неподвижную протонную мишень) для пучков LHC (W=14 ТэВ). Очевидна колоссальная энергетическая выгода. В последней формуле знак "приближенно равно" от того, что пренебрегаем значениями энергий покоя протонов ввиду относительной малости этих энергий.

Кстати, если считать задачу классически, то выгода есть, но она не такая колоассальная, а именно, там мы получим кинетическую энергию налетающей частицы в лабораторной системе всего лишь в 2 раза большую, чем сумарную энергию частиц в системе центра инерции.

И напоследок о скорости протонов в LHC (просто для тренировки воображения):

LHC. Старт завтра!

По этому случаю сегодня на Nature.com создана специальная страничка с весьма любопытными разделами. Мне понравился интерактивный раздел How the LHC works, где даны короткие описания и фактические данные для разных частей коллайдера.

Советую еще поглядеть на заметку Big data: Welcome to the petacentre.

Будем надеяться, что многообещающий LHC действительно даст в ближайшие годы ответы на поставленные природе вопросы. Возможно даже, мы с вами сейчас находимся на значительном историческом рубеже в развитии фундаментальной физики. Так что, затаив дыхание, ждём новостей с ЦЕРНа.

Оффициальный старт LHC

Первый протонный пучок на LHC будет запущен 10 сентября. То есть, через дня три.

Оффициальный источник:
http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html

Эту хорошую и объективную новость я узнал из замечательного блога Игоря Иванова. Там же он поясняет: "В сентябре будет запущен только один пучок, и пройдет минимум месяц, прежде чем начнутся столкновения протонов".

Техническое и философское

Behind the mask of the LHC - интересная заметка в Nature News еще раз о том же пресловутом бозоне Хиггса и в чем же его важность, и о тонких вопросах построения работающих теорий. Насколько можно опираться на принцип красоты природы, в который был так убежден Эйнштейн? И настолько ли мир "симметричен"?

Вообще, давно чувствуется как растет напряжение по поводу запуска LHC и начала "новой физики", тогда как что-то обещающие эксперименты запланированы лишь на следующий год.

Пополнение в личной библиотеке

Приобрел на днях учебник МГУ "Частицы и атомные ядра" Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов, Н.П.Юдин из серии Классический университетский учебник. Привлекательность книги в том, что физика частиц изложена в достаточно современном состоянии, простым и одновременно глубоким языком, свойственным МГУ-шным учебникам. Книга является заключительной частью общего курса физики, т.е. это не теоретическая физика, что мне как раз сейчас и нужно для того, чтобы добиться систематичного знания основ ядерной физики. А в дальнейшем уже подкреплять эти знания серьезной теорией, например с помощью курса Гринера.
Курс считается нетрадиционным благодаря порядку изложения материала. Действительно, всё начинается с самых фундаментальных частиц и взаимодействий между ними, лишь затем авторы переходят к ядру. Логика здесь в том, что всё как раз таки и определяется фундаментальными взаимодействиями между частицами. Кстати, всё-таки подавляющую часть книги занимают частицы, а не ядро.
В последней главе "Проблемы. Перспективы" рассматриваются вкратце такие вопросы, как бозон Хиггса, нейтринные осцилляции, концепция теории струн и т.д.

физика в сериале "LOST"

Четвертый сезон популярного сериала "Lost" (история о выживших после авиакатастрофы над загадочным островом) как никакой другой сезон, похоже больше всего претендует на раскрытие темы "физики". Ну если не раскрытием темы, то включением в сценарий еще более пространных физических явлений, он точно заметно отличается от предыдущих сезонов. Уже то, что на остров попал физик Дэниель Фарадей (см.снапшот)(Оксфордский университет, факультет физики Королевского общества) говорит о чем-то интересненьком. В четвертом сезоне снова встреча с непонятным монстром в виде облака дыма, далее нас ждет путешествие во времени и в пространстве. "Лоренц-инвариантность" - серьезно заметил переводчик запись в дневнике физика. На этом физика пожалуй закончилась.
Естественно, что столько загадок не могут не повлечь за собой бурное обсуждение блоггерами, инженерами, физиками и просто хорошими людьми проблем, возникших на загадочном острове.

Здесь например предлагают теорию, которая многое объясняет :
http://www.magiclamp.org/index.php/lost-theories/a-theory-about-lost/

Здесь "придираются" к спутниковому телефону, появившемуся в четвертом сезоне:
http://www.popularmechanics.com/blogs/science_news/4247879.html?series=6

На эти ссылки я вышел через заметку в Popular Mechanics с названием Debunking Lost's Science: Hollywood Sci-Fi Behind the Scenes. Оказывается исполнительные продюссеры были вдохновлены ни чем иным, как предстоящим запуском LHC и всякими там сказками про черные дыры и путешествие во времени, которыми оброс в широких массах проект знаменитого коллайдера. Это всё конечно интересно. Значок Дармы и профиль одного из элементов LHC действительно похожи.

Я лично думаю, что фильм настолько закрутили, что объяснения этих удивительных вещей ждать не приходится, даже к концу сериала (2010 г.). Хотя создатели говорят, что, например, сущность облачного монстра будет объяснена в последних эпизодах. Будем ждать. Ну в любом случае, явления в фантастическом фильме не обязательно должны быть объяснены, иначе сценаристы ограничивались бы более скучными вещами. Ждем новых серий.

Интересный факт из истории

А Вы знали что уравнение Клейна-Гордона (или уравнение Клейна-Гордона-Фока) было получено впервые Шредингером?

From "Quantum mechanics. An introduction" (Greiner W.):

In December, 1925 he (Schrodinger) defined the Klein-Gordon equation
and later, in January 1926, he invented the Schrodinger equation, which describes, in nonrelativistic approximation, the atomic eigenvalues.

From http://en.wikipedia.org/wiki/Klein-Gordon_equation :

The Klein-Gordon equation was first considered as a quantum wave equation by Schrödinger in his search for an equation describing de Broglie waves. The equation is found in his notebooks from late 1925, and he appears to have prepared a manuscript applying it to the hydrogen atom. Yet, without taking into account the electron's spin, the Klein-Gordon equation predicts the hydrogen atom's fine structure incorrectly, including overestimating the overall magnitude of the splitting pattern by a factor of 4n/(2n-1) for the n-th energy level. In January 1926, Schrödinger submitted for publication instead his equation, a non-relativistic approximation that predicts the Bohr energy levels of hydrogen without fine structure.
In 1926, soon after the Schrödinger equation was introduced, Fock wrote an article about its generalization for the case of magnetic fields, where forces were dependent on velocity, and independently derived this equation.