Модель коллайдера

Использование: Физика, учебное пособие для изучения физики частиц в учебных учреждениях различного уровня. Задача: Расширение технологических возможностей и повышение точности измерений. Сущность полезной модели: Модель коллайдера, содержит закрепленный на подставке ускоритель 2 в виде трубки, имеющей формы незамкнутого кольца, инжектор 3 частиц, состоящий из двух наклонных трубок, вмонтированных в ускоритель 2, расположенный в разъеме кольца детектор в виде магнитной доски 4, имеющей бортики 5 по своему периметру, и элемент 7 сбрасывания графического изображения с детектора. На противоположных сторонах магнитной доски 4 параллельно осям выходных отверстий кольца ускорителя 2 установлены источники магнитного поля 6. На магнитной доске могут быть установлены постоянные магниты или катушки переменного тока. Магнитная доска 4 выполнена из пластика и содержит равномерно расположенные ячейки 8 шестигранной формы, заполненные вязкой жидкостью со взвешенными в ней магнитными частицами, при этом она разделена на четыре части, имеющие различный цвет магнитных частиц. Положительный эффект: расширение диапазона измерения энергий, возможность определения для отдельных частиц значения отношения массы к заряду, повышение точности измерений.

Изобретение относится к области физике и предназначено в качестве наглядного пособия при изучении физики частиц для учащихся школ и студентов вузов.

Известна механическая модель коллайдера, содержащая линейный ускоритель в виде двух желобов, ускорительное кольцо овальной формы с разъемом, детектор (http://igoriyanov.blogspot.ru/2012/04collider-model.html). Желоба выполнены одинаковой длины, два конца которых закреплены на штативе, а другие два конца врезаны в ускорительное кольцо. Детектор выполнен в виде поддона с мелким песком. В качестве частиц используются металлические шарики. При одновременном запуске металлических шариков по желобам, влетев в ускорительное кольцо, они столкнутся, вылетят из кольца наружу и оставят на песке следы (треки). По характеристике этих треков физики судят о самом столкновении частиц. Направления треков указывает на точку, в которой оно произошло, а по длинам треков судят об энергии столкновения частиц.

Недостатками указанной модели являются высокие погрешности и значительные потери времени при анализе характеристик треков. Эти недостатки обусловлены применением в качестве детектора поддона с песком, когда трудно точно замерить траекторию трека и требуется значительное время для очистки детектора.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемому решению является модель коллайдера, включающая закрепленный на подставке ускоритель в виде трубки, имеющей форму незамкнутого кольца овальной формы, инжектор частиц, детектор (Басков C.B. Развитие исследовательских способностей учащихся при изучении физики частиц в старших профильных классах, Журнал «Физика в школе», 2013, 2, с. 15-21). Инжектор частиц состоит из двух наклонных трубок, вмонтированных в ускоритель, а детектор выполнен в виде магнитной доски, установленной в разъеме кольца ускорителя и имеющей бортики по своему периметру. Модель снабжена элементом сбрасывания графического изображения с детектора.

Недостатками наиболее близкого аналога являются ограниченные технологические возможности и низкая точность измерений.

Малая траектория движения частиц не позволяет пронаблюдать вторичные столкновения этих частиц в системе. Данная модель характеризуется также ограниченным диапазоном измерения энергий. Модель не позволяет создавать искривления траекторий частиц (шариков), что не позволяет определить для отдельных частиц значение отношения массы к заряду.

Задачей предлагаемой модели является устранение указанных недостатков, а именно расширение технологических возможностей и повышение точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в модели коллайдера, содержащей закрепленный на подставке ускоритель в виде трубки, имеющей формы незамкнутого кольца, инжектор частиц, состоящий из двух наклонных трубок, вмонтированных в ускоритель, расположенный в разъеме кольца детектор в виде магнитной доски, имеющей бортики по своему периметру, и элемент сбрасывания графического изображения с детектора, согласно предлагаемому решению, на противоположных сторонах магнитной доски параллельно осям выходных отверстий кольца ускорителя установлены источники магнитного поля. В качестве источника магнитного поля на магнитной доске могут быть установлены постоянные магниты или катушки переменного тока. Магнитная доска может быть выполнена из пластика и содержать равномерно расположенные ячейки шестигранной формы, заполненные вязкой жидкостью с взвешенными в ней магнитными частицами, при этом она разделена на четыре части, имеющие различный цвет магнитных частиц.

На предлагаемой модели коллайдера могут быть установлены постоянные дипольные магниты, создающие однородное магнитное поле, постоянные дипольные магниты, создающие неоднородное магнитное поле. Конфигурацию поля можно создавать, используя магниты различных форм. Модель может быть снабжена квадрупольными магнитами, играющими роль магнитных линз, способных собирать и рассеивать пучок частиц.

Катушки переменного тока позволяют создавать импульсное переменное неоднородное поле.

Установка на магнитной доске источников магнитного поля позволяет увеличить энергию частиц (шариков), увеличить длину треков и, тем самым, расширить диапазон измеряемых энергий, повысить точность измерений.

При создании однородного магнитного поля линии магнитной индукции направлены параллельно плоскости магнитной доски, они позволяют усилить эффекты, наблюдаемые на известной наиболее близкой заявляемой модели.

Катушки переменного тока создают переменное неоднородное магнитное поле, с помощью которого траектория движения частиц (шариков) искривляется. Это дает возможность провести дополнительные измерения - определить отношение массы к заряду.

Магнитная доска, выполненная из пластика, обеспечивает малое трение между имитирующими частицы шариками и поверхностью магнитной доски, что позволяет осуществить их столкновение с наименьшей потерей энергий и наглядно продемонстрировать, что происходит с частицами в реальных ускорителях. Окрашивание каждой из четырех частей магнитной доски в свой цвет позволяет более точно в процессе измерения отследить какая частица и куда двигалась, что также расширяет технологические возможности модели.

Предлагаемая модель коллайдера схематично изображена на фиг. 1 - 4, где на фиг. 1 показан общий вид коллайдера, на фиг. 2 - то же вид сверху, на фиг. 3 - вид сверху на магнитную доску, на фиг. 4 - сечение А-А фиг. 3.

Модель коллайдера содержит подставку 1, на которой закреплен ускоритель 2 в виде трубки, имеющей форму незамкнутого кольца, инжектор 3 частиц, состоящий из двух наклонных трубок, вмонтированных в ускоритель 2. В разъеме кольца ускорителя 2 установлен детектор в виде магнитной доски 4, имеющей бортики 5 по своему периметру. На магнитной доске 4 с противоположных сторон параллельно осям выходных отверстий кольца ускорителя 2 размещены источники магнитного поля 6. Под магнитной доской 4 смонтирован элемент 7 сбрасывания графического изображения с детектора (магнитной доски 4). Он выполнен в виде магнитной линейки, установленной с возможностью перемещения вдоль дна магнитной доски 4.

Магнитная доска 4 выполнена из прозрачного пластика и имеет равномерно расположенные ячейки 8 шестигранной формы, заполненные вязкой жидкостью с взвешенными в ней магнитными частицами. Магнитная доска 4 разделена на четыре части I, II, III, IV в ячейках которых находятся магнитные частицы различного цвета.

Модель коллайдера работает следующим образом.

Имитирующие частицы - стальные шарики подают в наклонные трубки инжектора 3 частиц. Шарики используют различных диаметров. Из инжектора 3, приобретая кинетическую энергию, шарики попадают в ускоритель 2 и, двигаясь по кольцу ускорителя навстречу друг другу, сталкиваются и перемещаются по магнитной доске 4. Характер этих перемещений зависит от накопленной энергии и воздействия источника магнитного поля 6. При перемещении шариков по магнитной доске магнитные частицы, расположенные внизу притягиваются магнитными шариками и поднимаются наверх, в результате чего остается след от их движения. Графические изображения (треки), а также их окрас за счет окраса магнитных частиц в частях I, II, III, IV ячеек 8 позволяют наглядно продемонстрировать, что происходит с частицами в реальных ускорителях. В каждой ячейке 8 магнитной доски 4 происходит быстрое перераспределение частиц магнитного вещества под действием магнитного поля шариков. При движении шариков их вылету за пределы доски препятствуют бортики 5. Поскольку жидкость вязкая, то след длительное время не исчезает. Для быстрого сброса треков с магнитной доски перемещают вдоль дна магнитной доски установленную на подставке 1 магнитную линейку, выполняющую роль элемента 7 сбрасывания графического изображения с детектора.

Изготовлен образец предлагаемой модели, которая успешно прошла испытания в Челябинском государственном университете.

Трубки инжектора сделаны из металлопластика диаметром 32 мм, длина трубок инжектора составляет 70 см, а наклон трубок к плоскости магнитной доски равен 37°. Кольцо ускорителя выполнено из изогнутой металлопластиковой трубки диаметром 32 мм. Оно имеет форму овала с большим диаметром D=57 и малым диаметром d=47 см.

На магнитной доске в первом варианте установлены постоянные дипольные магниты - неодимовые магниты 33 с размерами 200×100×20 мм с диаметральным направлением. Длина треков увеличилась на 15%.

Во втором варианте установлены постоянные дипольные магниты, имеющие форму треугольника и полукруга: неодимовые магниты 33 с размерами треугольника 200×100×20 мм и длиной хорды полукруга 200×20 мм с диаметральным направлением линий магнитной индукции. Закручивание траектории движения шариков.

В третьем варианте установлены квадрупольные магниты 33 с размерами 200×100×20 мм с диаметральным направлением линий магнитной индукции, что позволяет осуществить рассеяние шариков по магнитной доске.

В четвертом варианте установлены катушки переменного тока, U=200 В, частота 50 Гц, провод медный. Импульсное магнитное поле ускоряет или тормозит имитирующие частицы шарики.

Ячейки магнитной доски заполнены глицерином. В ячейках четырех частей доски взвешены магнитные частицы, окрашенные в зеленый, красный, серый и синий цвета.

Как показали испытания, величина треков частиц (шариков) увеличилась в 15%, повышает точность измерений энергий. Появилась возможность определения отношения массы частицы к ее заряду.

Предлагаемая модель коллайдера найдет применение в качестве наглядного пособия для изучения процессов синтеза различных частиц в современной физике в учебных учреждениях различного уровня.

1. Модель коллайдера, содержащая закрепленный на подставке ускоритель в виде трубки, имеющей формы незамкнутого кольца, инжектор частиц, состоящий из двух наклонных трубок, вмонтированных в ускоритель, расположенный в разъеме кольца детектор в виде магнитной доски, имеющей бортики по своему периметру, и элемент сбрасывания графического изображения с детектора, отличающаяся тем, что на противоположных сторонах магнитной доски параллельно осям выходных отверстий кольца ускорителя установлены источники магнитного поля.

2. Модель коллайдера по п. 1, отличающаяся тем, что на магнитной доске установлены постоянные магниты.

3. Модель коллайдера по п. 1, отличающаяся тем, что на магнитной доске установлены катушки переменного тока.

4. Модель коллайдера по п. 1, отличающаяся тем, что магнитная доска выполнена из пластика и содержит равномерно расположенные ячейки шестигранной формы, заполненные вязкой жидкостью со взвешенными в ней магнитными частицами, при этом она разделена на четыре части, имеющие различный цвет магнитных частиц.